Ustúpte, lítium: Hliníkové a sírové batérie prinášajú energetickú revolúciu

V januári 2024 štúdia v Nature Communications informovala o hliníkovo-sírnej batérii fungujúcej pri 85 °C s roztaveným chlóraluminátovým elektrolytom, ktorá si po 1 400 cykloch pri 1C zachovala 85,4 % svojej kapacity.
Stanfordský prototyp hliníkovo-iónovej batérie z roku 2015 použil hliníkovú anódu a grafitovú katódu, čo umožnilo ultra-rýchle nabíjanie (približne jednu minútu) a viac ako 7 500 cyklov pri približne 2 V.
V roku 2014 spoločnosť Phinergy predviedla auto, ktoré dokázalo prejsť približne 1 100 míľ s použitím hliníkovo-vzduchových batérií.
Hliníkovo-vzduchové batérie ponúkajú približne trojnásobnú energetickú hustotu na hmotnosť v porovnaní s lítium-iónovými batériami.
V januári 2023 Argonne National Laboratory predviedlo Li–S články s redox-aktívnou medzivrstvou, ktorá takmer úplne eliminovala shuttle efekt a umožnila viac ako 700 cyklov.
Lítium-sírne články preukázali v laboratóriách energetickú hustotu okolo 400–500 Wh/kg a projekt SABERS od NASA cieli na približne 500 Wh/kg pre elektrickú leteckú dopravu.
V auguste 2022 Donald Sadoway z MIT predstavil hliníkovo-sírnu batériu s hliníkovou anódou a sírnou katódou, pričom použil elektrolyty na báze roztavených solí na umožnenie lacnej a bezpečnej prevádzky.
V októbri 2024 spoločnosť Lyten oznámila plány na výstavbu prvej gigatovárne na Li–S batérie na svete v Nevade, s cieľom dosiahnuť 10 GWh/rok do roku 2027.
V marci 2025 spoločnosť Theion získala 15 miliónov eur na rozšírenie výroby lítium-sírnych článkov s kryštalickou sírou, pričom tvrdí, že majú trojnásobnú energetickú hustotu oproti Li-ion, tretinovú cenu a tretinové emisie CO₂, s plánom prejsť z mincových článkov na väčšie pouch články.
V roku 2023 spoločnosti Phinergy a Indian Oil Corporation predstavili prvé indické vozidlo poháňané hliníkovo-vzduchovou batériou, čo signalizuje potenciál nasadenia na trhu.

Predstavte si batérie vyrobené z bežnej hliníkovej fólie a sírového prášku, ktoré by poháňali všetko od domácností až po elektromobily za zlomok dnešných nákladov. Batérie na báze hliníka a síry sa objavujú ako sľubné alternatívy k tradičným lítium-iónovým článkom a ponúkajú lákavý potenciál lacnejšieho, bezpečnejšieho a udržateľnejšieho skladovania energie. V tejto správe sa venujeme tomu, čo sú tieto hliníkové a sírne batérie, ako fungujú, aké typy sa vyvíjajú (vrátane vzrušujúcej kombinácie hliníka a síry), ich výhodám a výzvam, kľúčovým hráčom, ktorí poháňajú prelomové inovácie, a tomu, ako by nedávne inovácie v rokoch 2024–2025 mohli zmeniť čistú energiu a elektromobily. (Všetky zdroje sú uvedené pre dôveryhodnosť.)

Čo sú hliníkové a sírne batérie?

Hliníkové batérie a sírne batérie predstavujú dve široké skupiny novogeneračných nabíjateľných batériových technológií, ktoré sa snažia riešiť obmedzenia dnešných lítium-iónových batérií. Jednoducho povedané, používajú hliník alebo síru (alebo oboje) vo svojich elektrochemických reakciách namiesto toho, aby sa spoliehali výlučne na lítiové chemické zloženie. Rovnako ako každá batéria, aj tieto majú tri hlavné časti – kladnú elektródu (katódu), zápornú elektródu (anódu) a elektrolyt medzi nimi, ktorý prenáša ióny počas nabíjania a vybíjania. Kľúčový rozdiel je v chémii: v hliníkových batériách často slúži kovový hliník ako anóda (a v niektorých dizajnoch poskytuje ióny nesúce náboj), zatiaľ čo v sírnych batériách zvyčajne slúži prvok síra ako katódový materiál prijímajúci ióny z kovovej anódy (ako je lítium alebo sodík).

Prečo skúmať hliník alebo síru? Obe prvky sú neuveriteľne hojné a lacné v porovnaní s lítiom a kobaltom používanými v Li-ion článkoch. Hliník je najhojnejší kov v zemskej kôre a má veľmi vysokú teoretickú kapacitu na ukladanie náboja (každý atóm Al môže uvoľniť 3 elektróny, čo mu dáva kapacitu 2,98 Ah na gram, čo je obrovské) nature.com. Síra je jeden z najlacnejších nekovových prvkov (často vedľajší produkt rafinácie ropy) a môže sa viazať s dvoma lítiovými iónmi na atóm, čo umožňuje veľmi vysoký potenciál ukladania energie nature.com, anl.gov. V zásade by batérie využívajúce hliník alebo síru mohli uchovávať viac energie pri danej hmotnosti a stáť oveľa menej ako dnešné lítium-iónové batérie. Ako vysvetľujú výskumníci z Argonne National Laboratory, „Síra je mimoriadne hojná a nákladovo efektívna a môže uchovávať viac energie ako tradičné batérie na báze iónov.“ anl.gov Podobne, hliník je lacný, široko dostupný a ukladá náboj husto, či už podľa hmotnosti alebo objemunature.com.

Ďalším veľkým motívom je bezpečnosť a udržateľnosť. Lítium-iónové batérie používajú horľavé organické kvapalné elektrolyty a často vyžadujú vzácne kovy (ako kobalt, nikel, lítium), ktoré spôsobujú problémy v dodávateľskom reťazci a etické otázky. Naopak, mnohé návrhy hliníkových a sírových batérií môžu používať nehorľavé elektrolyty (ako iónové kvapaliny alebo tavené soli) a vyhýbajú sa konfliktným minerálom. Napríklad nedávny návrh lítium-sírovej batérie používa iba „hojne dostupné miestne materiály, čím odstraňuje potrebu ťažených minerálov ako nikel, kobalt, mangán a grafit,“ podľa startupu Lyten lyten.com. Profesor MIT Donald Sadoway – popredný inovátor v oblasti batérií – výslovne hľadá „lacné, na Zemi hojné“ zložky na vynájdenie niečoho „oveľa lepšieho ako lítium-ión“, pričom sa v jeho najnovšej batériovej chémii rozhodol pre hliník ako anódu a síru ako katódu news.mit.edu.

Stručne povedané, hliníkové a sírové batérie sú pokusom vyrobiť lacnejšiu, bezpečnejšiu a etickejšiu batériu použitím prvkov, ktoré sú hojné (žiadny globálny nedostatok), lacné a majú prirodzene vysokú kapacitu. Teraz sa pozrime, ako tieto batérie fungujú v praxi a aké typy sa vyvíjajú.

Ako fungujú? (Základy batérií jednoducho)

Batérie na báze hliníka zvyčajne používajú hliníkovú kovovú anódu. Keď sa batéria vybíja, hliníkový kov odovzdáva elektróny (vytvára elektrický prúd) a hliníkové ióny (Al³⁺), ktoré putujú cez elektrolyt ku katóde. V závislosti od typu batérie sa tieto hliníkové ióny buď interkalujú (vkladajú) do katódového materiálu, alebo s ním reagujú. Napríklad v hliníkovo-iónovej batérii sa Al³⁺ ióny presúvajú do vrstvenej katódy (ako je grafit alebo oxid kovu) a späť počas nabíjania news.stanford.edu. V hliníkovo-sírnej batérii hliníkové ióny reagujú so sírou na katóde a vytvárajú hliníkovo-sírne zlúčeniny počas vybíjania, a potom sa pri nabíjaní vracajú na hliníkový kov nature.com. A v hliníkovo-vzduchových batériách hliníkový kov reaguje s kyslíkom zo vzduchu na špeciálnej katóde, pričom vzniká oxid alebo hydroxid hliníka – reakcia, ktorá uvoľňuje elektrinu, kým sa hliníková anóda nespotrebuje.

Batérie na báze síry zvyčajne obsahujú sírnu katódu spárovanú s kovovou anódou (najčastejšie lítium, ale môže to byť aj sodík, horčík alebo hliník). Ako príklad si vezmime lítium-sírovú (Li-S) batériu: pri vybíjaní atómy lítia na anóde odovzdávajú elektróny a menia sa na lítiové ióny (Li⁺), ktoré putujú elektrolytom ku sírnej katóde. Síra (S₈ molekuly) sa tam premieňa na lítium-sulfid (Li₂S) začlenením lítiových iónov – v podstate síra pohlcuje lítiové ióny a elektróny, aby vytvorila nové zlúčeniny, pričom energiu ukladá do chemických väzieb. Počas nabíjania sa tento proces obráti: lítiové ióny opúšťajú síru a vracajú sa na anódu a síra sa regeneruje. Keďže každý atóm síry môže viazať dva atómy lítia a S₈ kruhy sa môžu rozpadnúť na rôzne lítiové polysulfidové molekuly, Li-S batérie môžu teoreticky uložiť 3–5 krát viac energie na hmotnosť ako Li-ion. Sodíkovo-sírové (Na-S) batérie fungujú analogicky so sodíkovými iónmi a zvyčajne vytvárajú sodíkové polysulfidy alebo sodík-sulfid.

Vo všetkých týchto batériách ióny pendlujú tam a späť cez elektrolyt, zatiaľ čo elektróny tečú cez vonkajší obvod – takto sa batéria nabíja a vybíja. Elektrolyt môže byť kvapalina, gél alebo pevná látka, ktorá umožňuje pohyb iónov, ale núti elektróny prechádzať obvodom (čo napája vaše zariadenie). Dôležité je, že niektoré z týchto nových chémií vyžadujú špeciálne elektrolyty na svoju funkciu. Hliníkovo-iónové batérie často využívajú iónové kvapaliny alebo tavené soli ako elektrolyty, pretože Al³⁺ ióny silno interagujú s bežnými rozpúšťadlami. V skutočnosti sa prvé nabíjateľné hliníkové batérie stali životaschopnými až vtedy, keď vedci objavili iónovú kvapalinu pri izbovej teplote (na báze chlóraluminátových solí), ktorá umožňuje hliníkovým iónom efektívne vchádzať a vychádzať z grafitovej katódy news.stanford.edu. Podobne lítium-sírové batérie často používajú upravené kvapalné elektrolyty alebo pevné elektrolyty, aby sa predišlo problémom, o ktorých budeme hovoriť neskôr (napríklad úniku síry do elektrolytu).

Zhrnuté jednoducho: hliníkové batérie generujú energiu tým, že hliníkový kov uvoľňuje viacero elektrónov na atóm (neuveriteľne vysoký náboj na atóm kovu) a vytvára väzby buď s katódou, alebo s kyslíkom/sírou, zatiaľ čo sírové batérie generujú energiu tým, že ľahký, hojný prvok (síra) zachytáva kovové ióny a elektróny do energeticky bohatých zlúčenín. Oba dizajny nás posúvajú za hranice prenosu jedného lítia v súčasných batériách, čo potenciálne znamená viac energie na jedno nabitie. Ďalej sa pozrime na konkrétne typy týchto batérií, ktoré sa vyvíjajú.

Typy batérií na báze hliníka

Vedci skúmajú niekoľko typov batérií, ktoré využívajú hliník rôznymi spôsobmi:

Nabíjateľné hliníkové-iónové batérie (Al-Ion): Tieto batérie používajú hliníkovú kovovú anódu a typicky grafitovú katódu so špeciálnym iónovým kvapalným elektrolytom. Slávny skorý príklad pochádza zo Stanfordovej univerzity z roku 2015, kde vedci demonštrovali prototyp hliníkovo-iónovej batérie s hliníkovou anódou a grafitovou katódou v iónovej kvapaline. Ukázala ultra-rýchle nabíjanie (malý článok sa dal nabiť asi za jednu minútu!) a mimoriadne dlhú životnosť (viac ako 7 500 nabíjacích cyklov bez straty kapacity) news.stanford.edu. Stanfordský článok bol tiež veľmi bezpečný – výskumníci mohli prepichnúť článok v obale bez toho, aby začal horieť, na rozdiel od lítiových článkov news.stanford.edu. Mal však nižšie napätie (~2 volty, približne polovica napätia typického Li-ion článku) news.stanford.edu, čo znamená, že na dosiahnutie užitočných napätí by bolo potrebné viac článkov v sérii. Hlavná výhoda: Al-ion batérie sľubujú rýchle nabíjanie, dlhú životnosť a zvýšenú bezpečnosť (žiadne komponenty náchylné na požiar), pričom využívajú lacné materiály (hliník a uhlík) news.stanford.edu. Prebiehajúci výskum sa zameriava na zvýšenie ich energetickej hustoty hľadaním lepších katód a elektrolytov na zvýšenie napätia a kapacity news.stanford.edu. Niekoľko skupín po celom svete (od Stanfordu po čínske univerzity news.mit.edu) posúva technológiu hliníkovo-iónových batérií vpred. Napríklad vedci skúmajú rôzne katódové materiály (dokonca aj kovové sulfidy nature.com), aby účinnejšie ukladali hliníkové ióny nature.com.
Hliníkovo-vzduchové batérie: Hliníkovo-vzduchová je primárna batéria (nie je dobíjateľná elektrinou, ale potenciálne je možné ju „dotankovať“ mechanicky), kde hliníkový kov reaguje s kyslíkom zo vzduchu a generuje elektrinu. Tieto články majú pôsobivo vysokú energetickú hustotu, pretože katóda je len okolité ovzdušie – vďaka čomu je batéria mimoriadne ľahká. V skutočnosti môžu mať hliníkovo-vzduchové batériové balíky približne 3-krát viac energie na hmotnosť ako lítium-iónové na systémovej úrovni evreporter.com. Nevýhodou je, že keď sa hliníková anóda oxiduje na hydroxid alebo oxid hliníka, článok je „vybitý“ a na pokračovanie potrebuje nový hliník. To robí z hliníkovo-vzduchových batérií niečo podobné palivovému článku alebo predlžovaču dojazdu: namiesto nabíjania by ste vymenili hliníkovú platňu (a použitú recyklovali). Spoločnosti ako Phinergy v Izraeli už roky vyvíjajú hliníkovo-vzduchové systémy. V spolupráci s Indian Oil Corporation pilotujú hliníkovo-vzduchové batérie v elektrických vozidlách a stacionárnych záložných jednotkách. V roku 2023 predviedli v Indii malé elektrické auto, ktoré prešlo viac ako 500 km na hliníkovo-vzduchové články predtým, než potrebovalo „dotankovať“ hliníkevreporter.com. Generálny riaditeľ Phinergy David Mayer uvádza, že technológia hliníkovo-vzduchových batérií je „bezpečná, nehorľavá,“ vyžaduje žiadnu ťažkú nabíjaciu infraštruktúru a dá sa „nabiť“ (výměnou hliníka) „za pár minút“ namiesto hodín evreporter.com. Nevýhodou je potreba vybudovať celý dodávateľský reťazec na hromadnú výrobu a recykláciu hliníkových platní. Napriek tomu je táto technológia už komerčne využívaná v niektorých oblastiach: napr. hliníkovo-vzduchové jednotky Phinergy sú nasadené ako záložné zdroje energie pre telekomunikačné veže (nahrádzajú dieselové generátory) v Izraeli a Európe evreporter.com. Hliníkovo-vzduchové batérie možno priamo nenahradia dobíjateľnú batériu vo vašom telefóne, ale môžu slúžiť ako predlžovače dojazdu pre elektromobily alebo na dlhodobé skladovanie energie – poskytujúc obrovskú energetickú rezervu, ktorú pravidelne vymieňate.
Hliníkovo-sírové batérie: Zaujímavo, niektorí výskumníci kombinujú hliník a síru v jednej batérii – používajú hliník ako anódu a síru ako katódu, s roztaveným soľným alebo iónovým kvapalinovým elektrolytom. Tento hybridný prístup sa snaží využiť to najlepšie z oboch prvkov: vysokú kapacitu anódy hliníka a vysokú kapacitu katódy síry, a to všetko s neuveriteľne lacnými materiálmi. V auguste 2022 tím vedený Donaldom Sadowayom z MIT predstavil nový dizajn hliníkovo-sírovej batérie, ktorý okamžite zaujal titulky vďaka nízkym nákladom a výkonu. Používa roztavené chlóroaluminátové soli ako elektrolyt, ktorý pracuje pri miernej teplote (okolo 110 °C, podobne ako horúca šálka kávy), aby soľ zostala tekutá news.mit.edu. Zohriaty elektrolyt bol šikovnou voľbou: nielenže nie je horľavý a je lacný, ale tiež zabraňuje tvorbe dendritov – tých nepríjemných kovových výbežkov, ktoré môžu spôsobiť skrat batérie. Ako povedal Sadoway, zvolená soľ „prakticky vyradila tieto nekontrolované dendrity, pričom zároveň umožnila veľmi rýchle nabíjanie“ news.mit.edu. Jeho prototypová hliníkovo-sírová článková batéria sa dala nabiť za menej ako minútu bez skratu a vydržala stovky cyklov s odhadovanou cenou na článok asi jedna šestina ceny porovnateľných lítium-iónových článkov news.mit.edu. Toto je obrovské zníženie nákladov, potvrdené nezávislými analytikmi; materiálové náklady týchto batérií môžu byť o 85 % nižšie ako pri lítium-iónových podľa časopisu Science news.mit.edu. Víziou je použiť takéto články na stacionárne úložisko (napr. ukladanie solárnej energie na nočné použitie) a prípadne na podporu rýchleho nabíjania elektromobilov. Sadowayov dizajn komercializuje startup s názvom Avanti, ktorý plánuje v blízkej budúcnosti články zväčšiť a vykonať záťažové testy news.mit.edu. Medzitým iné skupiny posúvajú koncept hliníkovo-sírových batérií ďalej: v januári 2024 výskumníci v Číne oznámili nabíjateľnú Al-S batériu, ktorá môže pracovať pri 85 °C (tesne pod bodom varu vody, ešte jednoduchšie na udržiavanie) s vynikajúcou životnosťou – viac ako 1 400 cyklov s iba 15 % stratou kapacity a možnosťou rýchleho nabíjania pri tejto teplote nature.com. Zníženie prevádzkovej teploty pod 100 °C znamená, že jednoduché ohrevom horúcou vodou by sa dala batéria udržiavať, čo „výrazne zjednodušuje“ tepelný manažment a otvára dvere širšiemu využitiu nature.com. Zhrnutie: Hliníkovo-sírové batérie by sa mohli stať prelomom pre sieťové úložiská a možno aj pre určitévo vozidlách, dodávaním ultra-nízkonákladových, ohňovzdorných batérií, ktoré využívajú na Zemi hojný hliník (najhojnejší kov) a síru (najlacnejší nekov) news.mit.edu.

Typy batérií na báze síry

Niekoľko batériových technológií využíva sírové katódy v kombinácii s rôznymi anódami:

Lítium-sírové (Li-S) batérie: Lítium-sírová technológia je jednou z najviac skúmaných „post-lítiových“ chémií vďaka svojmu extrémne vysokému energetickému potenciálu. Li-S článok môže teoreticky uchovávať až 5x viac energie na hmotnosť ako lítium-iónový článok, keďže síra je veľmi ľahká a každý atóm síry môže viazať viacero atómov lítia. V praxi už Li-S batérie v laboratóriách preukázali energetickú hustotu okolo 400–500 Wh/kg (približne dvojnásobok oproti Li-ion) businessaviation.aero, apricum-group.com. Sú tiež atraktívne tým, že sú veľmi lacné a ekologické – síra stojí takmer nič a je hojná, a Li-S články neobsahujú kobalt ani nikel. Avšak Achillovou pätou Li-S je životnosť a stabilita. Tradičné Li-S prototypy trpeli efektom „polysulfidového shuttle“: medziprodukty síry (polysulfidy) sa počas cyklovania rozpúšťajú v elektrolyte a migrujú k lítiovej anóde, čo spôsobuje samovybíjanie, koróziu a rýchly pokles kapacity anl.gov. Dochádza tiež k výraznému „dýchaniu“ (zmenám objemu) – síra sa pri nabíjaní/vybíjaní výrazne rozpína a zmršťuje, čo môže poškodiť štruktúru článku reuters.com. Tieto problémy znamenali, že prvé Li-S batérie vydržali len niekoľko desiatok cyklov. Dobrou správou je, že nedávne prelomové objavy tieto problémy riešia. Vedci vyvinuli nanostruktúrované uhlíkové katódy a prísady do elektrolytu na zachytávanie polysulfidov a predĺženie životnosti nature.com. V januári 2023 Argonne National Lab demonštrovalo Li-S článok so špeciálnou pórovitou „redox-aktívnou“ medzivrstvou, ktorá takmer úplne odstránila problém shuttle, čo umožnilo batérii vydržať viac ako 700 cyklov pri zachovaní vysokej kapacity anl.gov. „Predchádzajúce [sírové] batérie len potláčali shuttle, ale obetovali energiu. Naša vrstva pridáva kapacitu úložiska a potláča shuttle,“ vysvetlil chemik Guiliang Xu z Argonne anl.gov. To naznačuje, že Li-S batérie môžu byť vyrobené ako vysokoenergetické aj dlhoveké. V skutočnosti sa teraz firmy pretekajú v ich komercializácii: Lyten, kalifornský startup, vyvinul lítium-sírový článok vystužený patentovanými 3D grafénovými materiálmi a v rokoch 2024–2025 cieli na špeciálne trhy ako drony, letectvo a obrana lyten.com. Lyten tvrdí, že jej Li-S batérie sú o 40 % ľahšie ako dnešné lítium-iónové (a o 60 % ľahšie ako batérie na báze železo-fosfátu), pričom sú lacnejšie vo veľkom meradle vďaka eliminácii niklu, kobaltu a ďalších drahých materiálov lyten.com. Ďalšia spoločnosť, Theion (Nemecko), pracuje na kryštalických sírových katódach a nedávno oznámila Li-S články s 3× vyššou energetickou hustotou ako Li-ion, za iba tretinovú cenu, a potenciálne s tretinovými emisiami pri výrobe reuters.com. CEO spoločnosti Theion Ulrich Ehmes uviedol, že ich batérie – ktoré sa vyhýbajú problémom s koróziou použitím stabilnej formy síry a predrozšíreného dizajnu – by sa mohli objaviť v elektromobiloch „pred koncom desaťročia“, ak vývoj pôjde podľa plánu reuters.com. Stručne povedané, lítium-sírové batérie sú na prahu prechodu z laboratória na trh a sľubujú ultraľahké, vysokoenergetické batériové balíky pre aplikácie, kde záleží na každom kilograme (elektrické lietadlá, elektromobily s dlhým dojazdom, vesmír).
Sodíkovo-sírové (Na-S) batérie: Sodík a síra môžu znieť ako nepravdepodobná dvojica (sodík je mimoriadne reaktívny a prvé Na-S batérie fungovali horúce pri 300 °C), ale táto chémia má dlhú tradíciu v oblasti skladovania energie v sieti. Vysokoteplotné Na-S batérie sa používajú na skladovanie energie v rozsahu verejných sietí už desaťročia (najmä spoločnosťou NGK v Japonsku) – fungujú s roztaveným sodíkom a sírou oddelenými pevným keramickým elektrolytom, pričom poskytujú dobrú účinnosť a dlhú životnosť pre stacionárne skladovanie. Potreba udržiavať ich pri ~300 °C však obmedzila ich širšie využitie. Nedávno však vzniklo nadšenie pre sodíkovo-sírové batérie s izbovou teplotou, ktoré by mohli ponúknuť lacnú a bezpečnú alternatívu pre veľkokapacitné skladovanie. Koncom roka 2022 tím na Univerzite v Sydney oznámil „nízkonákladovú batériu so štvornásobnou kapacitou oproti lítium-iónovým“ s použitím nového dizajnu Na-S pri izbovej teplote sydney.edu.au. Využitím poréznej uhlíkovej elektródy a jednoduchého tepelného spracovania (pyrolýzy) na vytvorenie reaktívnejšej formy síry dosiahli super-vysokú kapacitu a ultra-dlhú životnosť pri izbovej teplote, čím prekonali predchádzajúcu „pomalú“ výkonnosť Na-S sydney.edu.au. Vedúci výskumník Dr. Shenlong Zhao uviedol, že táto sodíkovo-sírová batéria „má potenciál dramaticky znížiť náklady a zároveň poskytnúť štvornásobnú kapacitu skladovania. Je to významný prelom pre rozvoj obnoviteľných zdrojov energie…“ sydney.edu.au. Sodík a síra sú skutočne ešte dostupnejšie a lacnejšie ako lítium, takže úspešná Na-S batéria by mohla byť prínosom pre skladovanie energie v sieti – umožňujúc veľké batérie pre veterné/solárne farmy s minimálnymi nákladmi. Hoci Na-S články nedosahujú parametre Li-ion pre kompaktné potreby elektromobilov (sodík je ťažší a tieto články sú momentálne vo väčšom formáte), mohli by sa stať kľúčovou súčasťou infraštruktúry čistej energie, ponúkajúc bezpečné a lacné skladovanie na obdobia, keď nesvieti slnko alebo nefúka vietor sydney.edu.au. Výskum na zdokonalenie sodíkovo-sírových batérií s izbovou teplotou pre komerčné využitie prebieha po celom svete (Čína, Austrália, Európa).
Ďalšie batérie na báze síry: Okrem Li-S a Na-S vedci experimentovali so sírovými katódami v kombinácii s inými kovmi, ako je magnézium alebo vápnik, a dokonca aj so spájaním síry s hliníkom (ako bolo spomenuté vyššie). Tieto multivalentné kovovo-sírové batérie (kde ión kovu nesie viac ako jeden náboj, napr. Al³⁺ alebo Mg²⁺) sú atraktívne z rovnakého dôvodu ako samotný hliník alebo síra – hojnosť a vysoká kapacita – ale čelia ešte zložitejšej chémii a väčšinou sú len v počiatočných štádiách výskumu advanced.onlinelibrary.wiley.com. Napríklad magnéziovo-sírové články zápasia s kompatibilitou elektrolytu a pomalou kinetikou. Pevné sírové batérie sú ďalšou špičkovou variáciou: použitím pevného elektrolytu (často sulfidu alebo polyméru) sa vedci snažia vytvoriť Li-S články, ktoré sú bezpečnejšie (žiadna horľavá kvapalina) a úplne potláčajú polysulfidový shuttle efekt onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA aktívne vyvíja pevnú lítium-sírovú batériu (projekt SABERS) s katódou zo síry a selénu a novým pevným elektrolytom, pričom dosahuje energetickú hustotu ~500 Wh/kg vhodnú pre elektrickú leteckú dopravu businessaviation.aero. Príťažlivosť síry – ľahká, hojná, výkonná – ju postavila do centra mnohých futuristických konceptov batérií.

Po tom, čo sme pokryli prehľad hliníkových a sírových typov batérií, môžeme teraz porovnať, ako tieto technológie obstáli v porovnaní s vládnucimi lítium-iónovými batériami a aké jedinečné výhody ponúkajú.

Kľúčové výhody a prednosti oproti lítium-iónovým batériám

Batérie na báze hliníka aj síry sľubujú významné výhody v oblasti nákladov, udržateľnosti a výkonu, ak bude ich vývoj úspešne pokračovať. Tu sú hlavné výhody:

🌎 Dostupné, nízkonákladové materiály: Hliník a síra sú lacné a dostupné prakticky všade. Hliník je najrozšírenejší kov v zemskej kôre a síra je bežným vedľajším produktom rafinácie. To znamená, že náklady na materiál môžu byť výrazne nižšie. Správa Science uviedla, že suroviny pre hliníkovo-sírové batérie môžu byť o 85 % lacnejšie ako pre lítium-iónové batérie news.mit.edu. Spoločnosť Theion (startup so sírovými batériami) podobne tvrdí, že ich články budú stáť len tretinu ceny Li-ion článkov reuters.com. Podľa Sadowaya sú tieto batérie „eticky získavané, lacné a účinné“ news.mit.edu – vyhýbajú sa drahým kovom, ktoré sú často spojené s problematickou ťažbou. Používanie dostupných surovín tiež znamená menej úzkych miest v dodávkach; nebudeme čeliť nedostatku lítia alebo kobaltu, ak sa hliníkovo-sírové batérie rozšíria.
🔥 Zvýšená bezpečnosť (nehorľavé): Mnohé nové hliníkovo/sírové batérie sú navrhnuté tak, aby boli oveľa bezpečnejšie. Namiesto horľavých organických elektrolytov môžu používať anorganické tavené soli alebo pevné elektrolyty, ktoré sa nevznietia news.mit.edu. Hliníkovo-iónové a hliníkovo-sírové články, ktoré demonštrovali Stanford a MIT, „nechytia sa, ani keď ich prevŕtate“ alebo pracujú pri vysokej teplote news.stanford.edu, news.mit.edu. Rovnako sírové katódy v kombinácii s pevným alebo gélovým elektrolytom lepšie odolávajú tepelnému úniku ako bežné Li-ion batérie. Hliníkovo-vzduchový systém spoločnosti Phinergy je prirodzene nehorľavý a „bezpečný, nehorľavý“ pri prevádzke evreporter.com. Zvýšená bezpečnosť nielen chráni používateľov, ale aj zjednodušuje prepravu a výrobu (nie je potrebné drahé chladenie alebo hasiace systémy v batériových moduloch).
⚡ Vysoká energetická hustota a nízka hmotnosť: Obe chémie ponúkajú potenciál na vyššie ukladanie energie na hmotnosť ako dnešné batérie. Lítium-sírové batérie napríklad dosiahli ~500 Wh/kg v prototypoch businessaviation.aero – približne dvojnásobok najlepších Li-ion, čo umožňuje oveľa ľahšie batériové balíky. Lyten uvádza, že jeho Li-S články budú až o 40 % ľahšie ako Li-ion balíky pri rovnakej energii lyten.com. Theion cieli na 3x energetickú hustotu Li-ion reuters.com. Pre elektrické vozidlá a lietadlá by to mohlo znamenať dlhší dojazd alebo vyšší užitočný náklad pri rovnakej hmotnosti batérie. Hliníkovo-vzduchové batérie sú v energetickej hustote úplne inde (boli použité na rekordnú 1 100-míľovú jazdu elektromobilom na jednu „nádrž“ hliníkovo-vzduchovej batérie pred pár rokmi), hoci je potrebné dopĺňanie paliva. Dokonca aj hliníkovo-iónové batérie, hoci majú nižšiu teoretickú energiu ako Li-S, môžu vynikať v výkonovej hustote – Stanfordov článok sa dokázal úplne nabiť za jednu minútu news.stanford.edu, čo naznačuje batérie, ktoré sa nabijú tak rýchlo ako natankovanie nádrže. Stručne povedané, tieto technológie môžu priniesť buď oveľa viac energie (pre dlhodobé použitie) alebo oveľa rýchlejšie vybíjanie/nabíjanie ako Li-ion, alebo oboje.
🔋 Potenciál dlhej životnosti cyklu: Správne navrhnuté hliníkové a sírové batérie môžu vydržať rovnako dlho alebo dlhšie ako Li-ion. Hliníkové kovové anódy netvoria rovnaký typ dendritov ako lítium (najmä pri správnych elektrolytoch) news.mit.edu, takže môžu byť veľmi odolné. Stanfordov Al-ion článok prežil viac ako 7 500 cyklov (o rád viac ako Li-ion) news.stanford.edu. Sírové články mali historicky slabú životnosť, ale nové dizajny (medzivrstvy, tuhé elektrolyty atď.) dosahujú stovky až tisíce cyklov s minimálnou stratou anl.gov, nature.com. Pre stacionárne úložiská je kľúčová batéria, ktorá spoľahlivo cykluje každý deň viac ako 10 rokov, a vývojári týchto chémií sa intenzívne zameriavajú na stabilitu.
♻️ Environmentálne a etické výhody: Keďže tieto batérie využívajú ľahko dostupné materiály, vyhýbajú sa environmentálnym škodám spojeným s ťažbou a spracovaním vzácnych kovov ako kobalt, nikel a lítium. Dochádza tiež k zníženiu zabudovanej uhlíkovej stopy batérie. Theion odhaduje, že ich sírové batériové články vyprodukujú pri výrobe len tretinu CO₂ v porovnaní s Li-ion článkami reuters.com. Síra je často odpadovým produktom (milióny ton ležia na skladoch), takže jej využitie v batériách je v podstate recyklácia priemyselného odpadu. Hliník je tiež vysoko recyklovateľný – existujúca globálna infraštruktúra recyklácie by sa dala využiť na jednoduché získavanie hliníka z použitých batérií. Z etického hľadiska použitie síry a hliníka obchádza detskú prácu a problémy s ľudskými právami, ktoré sužujú ťažbu kobaltu. Všetky tieto faktory znamenajú, že batérie novej generácie by mohli byť udržateľnejšie a spoločensky zodpovednejšie počas celého svojho životného cyklu.
💡 Rýchle nabíjanie a vysoký výkon: Niektoré hliníkovo/sírové konštrukcie vykazujú ultrarýchlu schopnosť nabíjania. Už sme spomenuli 60-sekundové nabíjanie v laboratórnych testoch news.stanford.edu. Okrem toho hliníkovo-sírové články v laboratóriu fungovali pri veľmi vysokých rýchlostiach nabíjania (napr. nabíjanie pri 1C alebo vyššie pri zvýšenej teplote s vynikajúcou retenciou) nature.com. Hliníkovo-vzduchové batérie sa dajú „nabiť“ okamžite výmenou hliníka. Tieto vlastnosti by mohli zmierniť jednu z najväčších sťažností spotrebiteľov na elektromobily a elektroniku – dlhé časy nabíjania – a zároveň poskytnúť vysoký výkon, keď je to potrebné (predstavte si náradie alebo elektromobily s hliníkovými batériami, ktoré dodajú silný výkon bez poklesu napätia).

Je dôležité poznamenať, že nie každá z týchto výhod platí rovnako pre všetky varianty (napríklad hliníkovo-vzduchové batérie poskytujú veľkú energiu, ale nie sú elektricky nabíjateľné; hliníkovo-iónové sa nabíjajú rýchlo, ale majú nižšie napätie; Li-S je superľahký, ale momentálne má strednú životnosť cyklov). Avšak celkový prísľub hliníkových a sírových batérií je, že môžeme dramaticky znížiť náklady a závislosť od vzácnych materiálov a zároveň dosiahnuť rovnaký alebo lepší výkon v kľúčových oblastiach bezpečnosti, energie a výkonu.

Výzvy a technické prekážky

Ak sú hliníkové a sírové batérie také skvelé, prečo ešte nie sú všade? Pravdou je, že tieto technológie čelia významným výzvam, ktoré sa výskumníci a inžinieri stále snažia prekonať:

Polysulfidový shuttle a degradácia katódy (problémy so sírou): V lítium-sírových a iných batériách so sírovou katódou bol notoricky známy problém polysulfidového shuttle veľkou prekážkou. Počas cyklovania batérie prechádza síra cez medzistupne, ktoré sa môžu rozpúšťať v elektrolyte a putovať k anóde, čo spôsobuje samovybíjanie, stratu aktívneho materiálu a dokonca aj škodlivé reakcie s anódou anl.gov. To vedie k rýchlemu poklesu kapacity. Navyše, sírové katódy majú tendenciu napučiavať a zmršťovať sa výrazne (až do ~80% zmeny objemu) pri premene na lítny sulfid a späť reuters.com. Toto „dýchanie“ môže časom rozdrviť katódu alebo ju odlúpnuť od zberačov prúdu. Hoci nové stratégie (ako pridanie ochranných medzivrstiev anl.gov, použitie nanostruktúrovaných uhlíkových nosičov alebo pevných elektrolytov) tieto problémy zmiernili, zabezpečiť, aby sírová batéria vydržala stovky cyklov v reálnych podmienkach, zostáva kľúčovou výzvou.
Dendritické a plátovacie problémy (kovové anódy): Hliníkové kovové anódy, podobne ako iné kovové anódy, môžu pri nabíjaní vytvárať dendrit (tenké, vodivé vlákna), ktoré môžu spôsobiť skrat článku. V skutočnosti bol jedným z hlavných dôvodov, prečo hliníkové batérie dlho zlyhávali, fakt, že nikto nedokázal opakovane zabezpečiť spoľahlivé plátovanie/odplátovanie hliníka – často sa vytváral „machovitý“ povlak alebo sa deaktivoval tvorbou povrchového oxidu. Iónové kvapaliny a tavené soli ako elektrolyty výrazne pomohli „skrotiť“ tento problém (jeden tím uviedol, že ich hliníková batéria s tavenou soľou „nikdy nestratila články kvôli dendritovým skratom“ pri rýchlonabíjacích testoch news.mit.edu). Ak by sa však použil konvenčnejší elektrolyt, dendrity alebo vedľajšie reakcie s oxidovou vrstvou hliníka by mohli byť problematické. Podobne, ak sa v sírových batériách použije ako anóda lítiový kov (čo je bežné v Li-S konštrukciách), vznikajú lítiové dendrity a bezpečnostné problémy, najmä pri použití kvapalných elektrolytov. Výskumníci často kombinujú Li-S s ochrannými membránami alebo pevnými elektrolytmi, aby zabránili tvorbe lítiových dendritov.
Nízke prevádzkové napätie a energetická účinnosť (hliníkový ión): Hliníkové iónové batérie, najmä tie využívajúce interkaláciu (napr. grafitové katódy), majú zvyčajne nižšie článkové napätie ako Li-ion. Slávny hliníkový iónový článok zo Stanfordu produkoval približne 2,0 voltu news.stanford.edu, zatiaľ čo lítiovo-iónový článok má nominálne ~3,7 V. Je to čiastočne spôsobené chémiou interkalácie Al³⁺ a obmedzeniami elektrolytu. Nižšie napätie znamená, že na dosiahnutie požadovaného napätia batériového balíka potrebujete viac článkov v sérii (čo pridáva zložitosť a určité energetické straty). Problémom sú aj multivalentné ióny, ako Al³⁺, ktoré majú pomalú kinetiku v pevných látkach – pohyb iónu s nábojom +3 je ťažší ako pohyb iónu s nábojom +1, ako je Li⁺, takže dosiahnutie vysokého výkonu môže byť náročné, pokiaľ sa nezvýši teplota alebo sa nepoužijú špeciálne elektrolyty nature.com. Niektoré hliníkové batérie fungujú dobre len pri zvýšených teplotách (60–100 °C), čo by mohlo komplikovať ich použitie v spotrebnej elektronike (nikto nechce mať v telefóne neustále horúcu batériu!). Dobrá správa: inovácie v elektrolytoch (napríklad pridanie určitých solí alebo použitie nových zmesí) zlepšujú vodivosť hliníkových iónov pri nižších teplotách nature.com.
Požiadavky na teplotu: Ako bolo uvedené, viaceré hliníkové a sodíkové návrhy používajú elektrolyty z tavených solí, ktoré je potrebné udržiavať v teple. Napríklad MIT hliníkovo-sírová batéria pracuje optimálne pri približne 110 °C news.mit.edu, a dokonca aj vylepšený variant pracuje pri 85 °C nature.com. Hoci to nie je podľa priemyselných štandardov extrémne horúce, znamená to, že batériový balík by potreboval izoláciu a možno aj malý ohrievač, aby zostal v správnom rozsahu. To je v poriadku pre stacionárne úložiská (kde môže mať batéria veľkosti chladničky tepelný manažment), ale je to výzva pre prenosné aplikácie a elektromobily, pokiaľ sa teplo nedá udržať samo (Sadowayho článok sa počas cyklovania sám ohrieva, aby si udržal teplotu news.mit.edu). Prevádzka pri vysokej teplote si tiež vyžaduje robustné tesnenie a bezpečnostné opatrenia (hoci výhodou je, že nehrozí riziko požiaru). Výskumníci pracujú na znížení prevádzkových teplôt a dokonca skúmajú chemické zloženia pre Al a Na systémy, ktoré by fungovali pri izbovej teplote nature.com.
Nabíjacia infraštruktúra a „tankovanie“ (Al-Air): Unikátne pre hliníkovo-vzduchové (a podobné kovovo-vzduchové) systémy je to, že sa nedajú dobíjať pripojením do nabíjačky. Je potrebné vymeniť alebo recyklovať hliníkovú anódu, keď sa spotrebuje. To si vyžaduje vytvorenie celej infraštruktúry na výmenu hliníkových platní alebo kaziet, zber použitých a recykláciu hliníka (pravdepodobne cez proces tavenia poháňaný elektrinou, čím sa hliník „dobije“). Indian Oil a Phinergy aktívne pracujú na tomto ekosystéme evreporter.com, ale ide o iný model než čerpacie alebo nabíjacie stanice. Bez širokej podpory môže hliníkovo-vzduchová technológia zostať okrajovou. Navyše, vedľajší produkt hliníkovo-vzduchových batérií (hydroxid hlinitý) je potrebné riešiť – hoci sa dá recyklovať na nový hliník alebo iné produkty.
Zväčšovanie výroby a integrácia: Lítium-iónová technológia má 30-ročný náskok s masívnou výrobnou kapacitou, optimalizovanými dodávateľskými reťazcami a dobre vyškolenou pracovnou silou. Každá nová batériová chémia čelí prekážke prechodu z laboratórnej alebo pilotnej úrovne na úroveň gigatovárne. Hliníkové a sírové batérie môžu vyžadovať nové výrobné procesy (napríklad manipuláciu s vlhkosťou citlivými iónovými kvapalinami alebo pevnými elektrolytmi, či nové dizajny článkov ako Theionove vrstvené elektródy). Zväčšovanie výroby bez chýb a za nízke náklady nie je triviálne. Je tu aj otázka integrácie – môžu sa tieto nové batérie jednoducho použiť v existujúcich zariadeniach alebo vozidlách, alebo si vyžadujú nové návrhy? Odlišné napäťové profily, formáty alebo prevádzkové podmienky môžu znamenať potrebu prepracovať všetko od systémov správy batérií až po dizajn podvozku áut. Tieto prechodné náklady a neistoty môžu spomaliť prijatie.
Súčasný stav (pripravenosť technológie): Hoci roky 2024 a 2025 priniesli veľké prelomové objavy (ako si ukážeme ďalej), mnohé hliníkové a sírové batériové technológie sú stále vo fáze prototypu alebo skorého komerčného štádia. Žiadna zatiaľ nedosiahla masové nasadenie, aké má lítium-iónová technológia. Napríklad lítium-sírové články práve teraz vstupujú na obmedzené trhy ako drony a satelity, kde sa ich krátka životnosť dá tolerovať alebo zmierniť. Hliníkovo-sírové a hliníkovo-iónové batérie sú vo fáze demonštrácie a rozširovania výroby; žiadne elektrické auto ani sieť zatiaľ nemá veľkú takúto batériu v plnej prevádzke. To znamená, že stále existuje riziko nepredvídaných problémov pri reálnom používaní (spomeňte si, ako lítium-iónové batérie spočiatku čelili incidentom s tepelným únikom). Bude to vyžadovať čas, investície a pravdepodobne niekoľko iterácií, kým budú tieto technológie rovnako spoľahlivé ako súčasné. Ako skeptická poznámka: aj lítium-iónové batérie sa každým rokom zlepšujú – s novými chémiami ako lítium-železo-fosfát (LFP) a lítium-kovové pevné články na obzore – takže hliníkové a sírové batérie musia nielen fungovať, ale aj konkurovať zlepšujúcej sa existujúcej technológii.

Zhrnuté, hliníkové a sírové batérie majú obrovský potenciál, ale zároveň prinášajú jedinečné prekážky. Vedci otvorene priznávajú, že je potrebné ďalšie úsilie; ako jeden tím napísal v roku 2022, napriek pokroku „Al–S batérie historicky trpeli slabou rýchlostnou schopnosťou a cyklickou stabilitou“, čo si vyžaduje pokračujúce inovácie v elektrolytoch a elektródach nature.com. Prekonanie týchto výziev je presne to, na čo sa v súčasnosti zameriava mnoho laboratórií a startupov.

Kto vedie preteky? Hlavní hráči vo vývoji

Toto vzrušujúce odvetvie má zmes akademických laboratórií, startupov a priemyselných gigantov, ktorí posúvajú hranice. Tu sú niektorí z významných hráčov a čomu sa venujú:

Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT je centrom inovatívneho výskumu batérií. Skupina profesora Donalda Sadowaya na MIT stála pri zrode konceptu hliníkovo-sírovej batérie. Po zverejnení prelomových výsledkov v Nature v roku 2022 Sadoway spoluzaložil Avanti, aby technológiu komercializoval news.mit.edu. Cieľom Avanti je rozšíriť výrobu hliníkovo-sírových článkov pre stacionárne úložiská a ďalšie využitie. Sadoway je známy aj tým, že spoluzaložil Ambri, spoločnosť komercializujúcu batérie z tekutých kovov (s inými chémiami, ako je vápnik a antimón). Ambri sa zameriava na úložiská v sieťovom meradle a v roku 2024 mala nasadzovať systémy youtube.com. Vďaka Ambri a Avanti by Sadowayove inovácie mohli pokryť veľké batérie pre energetické siete až po menšie batérie pre budovy alebo nabíjacie stanice pre elektromobily news.mit.edu. Vplyv MIT tu nekončí – jeho výskumníci skúmajú aj lítium-sírové batérie v rôznych projektoch a inštitút často spolupracuje s národnými laboratóriami a firmami na najmodernejších batériových technológiách.
Stanford University & SLAC: Stanford spôsobil rozruch už v začiatkoch vývoja hliníkových-iónových batérií (prototyp rýchlo nabíjateľnej Al-ion batérie z roku 2015 news.stanford.edu). Táto práca, vedená profesorom Hongjie Daiom, ukázala, že jednoduchá grafitová katóda môže umožniť nabíjateľnú hliníkovú batériu. Stanford pokračuje vo výskume batérií; napríklad SLAC (Stanford Linear Accelerator Lab) skúmal nové katódy pre hliníkové batérie, ako sú kovové sulfidy nature.com, a skúmal rozhraničnú chémiu na zlepšenie cyklovania. Hoci objav Stanfordu z roku 2015 sa zatiaľ nepremenil na komerčný produkt, preukázal uskutočniteľnosť a bol citovaný v mnohých následných štúdiách. Tiež zdôraznil Stanfordský étos otvoreného výskumu vedúceho k priemyselnému využitiu (niektorí absolventi výskumu batérií zo Stanfordu sa pripojili k startupom alebo založili vlastné v oblasti Bay Area v rámci startupovej scény batérií).
Graphene Manufacturing Group (GMG) & University of Queensland: V Austrálii GMG (v spolupráci s University of Queensland) vyvíja Graphene Aluminum-Ion Battery. Hlásili pôsobivý výkon v prototypoch mincových článkov – s mimoriadne rýchlym nabíjaním a dlhou životnosťou – pričom ako katódový materiál v hliníkovo-iónovej konfigurácii používajú grafén (formu uhlíka) batteriesnews.com. GMG sa snaží svoju technológiu rozšíriť na články typu pouch vhodné pre spotrebnú elektroniku alebo elektromobily a ku koncu roka 2022 mali rozbehnutý vývojový program a pilotnú výrobnú linku graphenemg.com. Ich prístup zdôrazňuje synergický efekt nano-materials (grafénu) s novými chémiami, ako je hliníkovo-iónová, na dosiahnutie lepších výsledkov.
Phinergy a Indian Oil (IOC): Phinergy je izraelský startup, ktorý je už viac ako desaťročie priekopníkom v oblasti hliníkovo-vzduchových batérií. V roku 2014 preslávili demonštračným autom poháňaným hliníkovo-vzduchovou batériou na vzdialenosť 1 100 míľ a odvtedy sa zameriavajú na reálne produkty pre záložné napájanie a predĺženie dojazdu elektromobilov. Phinergy uzavrel partnerstvo s Indian Oil Corporation a vytvorili spoločný podnik (IOC Phinergy), ktorý prináša hliníkovo-vzduchovú technológiu na indický trh – potenciálne obrovský pre krajinu, ktorá sa snaží nájsť alternatívy k rope a využiť svoj hlinikársky priemysel. Začiatkom roka 2023 IOC Phinergy predstavili prvé indické vozidlo poháňané hliníkovo-vzduchovou batériou a budovali infraštruktúru na výrobu a recykláciu platní alcircle.com. Indická vláda prejavila záujem, keďže hliníkovo-vzduchové batérie by mohli znížiť závislosť od dovážaného lítia. Technológia Phinergy sa už komerčne využíva v záložných zdrojoch pre telekomunikačné veže (nahrádzajú naftové generátory bezemisnými hliníkovo-vzduchovými systémami) evreporter.com a spolupracujú s automobilkami ako Mahindra na integrácii do vozidiel (napr. testovacie flotily elektrických rikší a autobusov využívajúcich hliníkovo-vzduchové batérie na predĺženie dojazdu) evreporter.com. Pokrok Phinergy je kľúčový, pretože ide o jedného z prvých, ktorí dostali batériu na báze hliníka z laboratória do praktického nasadenia v teréne.
Lyten: Lyten je startup zo Silicon Valley (so sídlom v San Jose, Kalifornia), ktorý bol niekoľko rokov v utajenom režime a vyvíjal lítiovo-sírovú batériu vylepšenú o proprietárny 3D grafénový materiál. Nedávno vystúpili s veľkou novinkou: v októbri 2024 Lyten oznámil plány na výstavbu prvej gigatovárne na lítiovo-sírové batérie na svete v Nevade s investíciou viac ako 1 miliardu dolárov lyten.com l. Zariadenie by malo do roku 2027 vyrábať 10 GWh Li-S batérií ročne lyten.com. Tento odvážny krok naznačuje dôveru, že ich technológia je blízko k masovej výrobe. Počiatočné cieľové trhy Lytenu nie sú osobné elektromobily, ale mikromobilita, letectvo, drony a obrana v rokoch 2024–2025 lyten.com – oblasti, kde vysoká energetická hustota Li-S poskytuje rozhodujúcu výhodu a kde môže byť mierne nižšia životnosť akceptovateľná. Spoločnosť zdôrazňuje nízku hmotnosť a absenciu konfliktných nerastov svojich batérií, pričom ich články používajú anódy z kovového lítia a katódy z kompozitu síra-uhlík, čím sa vyhýbajú niklu, kobaltu atď. lyten.com. Generálny riaditeľ Lytenu, Dan Cook, povedal „Lítiovo-sírová batéria je skokom v batériových technológiách, prinášajúc batériu s vysokou energetickou hustotou a nízkou hmotnosťou, vyrobenú z hojne dostupných lokálnych materiálov“ lyten.com. Od roku 2023 dokonca vyrábajú pilotné batériové články interne, aby testovali a zdokonaľovali výrobný proces lyten.com. Ak bude gigatováreň Lytenu úspešná, môže to byť game-changer – prvé komerčné Li-S batérie vyrábané vo veľkom, potenciálne pre použitie v novej generácii elektrických lietadiel alebo diaľkových elektrických kamiónov, kde záleží na každom kile.
Theion: Theion je startup so sídlom v Berlíne, Nemecko, ktorý sa zameriava na lítium-sírové batérie s jednou zvláštnosťou – používajú kryštalickú síru a špeciálne elektródy na zlepšenie stability. V marci 2025 Theion získal 15 miliónov eur v kole financovania Series A na rozšírenie výroby svojich batériových článkov reuters.com. Theion tvrdí, že ich články môžu strojnásobiť energetickú hustotu oproti lítium-iónovým batériám a zároveň znížiť náklady na tretinu, ako už bolo spomenuté reuters.com. Údajne vyriešili kľúčové problémy tým, že predexpandovali katódu, aby sa prispôsobila rozťažnosti síry, a tým, že udržiavajú síru v kryštalickej forme, ktorá je menej reaktívna s elektrolytmi reuters.com. CEO Ulrich Ehmes uviedol, že ich technológia by mohla nájsť uplatnenie v elektromobiloch, „lietajúcich taxíkoch“ alebo skladovaní energie, a potenciálne by mohla byť v autách do konca 2020-tych rokov reuters.com. Prístup Theionu vzbudil pozornosť, pretože sa nespolieha na exotické materiály – zdôrazňujú, že ich batérie „dýchajú“ menej a nekorodujú ako staršie Li-S. Financovanie im pomôže vyvinúť väčšie pouch články a posunúť sa za hranicu prototypov typu coin-cell reuters.com. Záujem Nemecka o sírové batérie tiež súvisí s európskou snahou o domáce, udržateľné batériové technológie.
Argonne National Laboratory & U.S. DOE: Vo verejnom výskume sa Argonne (spolu s ďalšími laboratóriami Ministerstva energetiky USA, ako Oak Ridge a Pacific Northwest) aktívne venuje výskumu sírových batérií. Diskutovali sme o úspechu Argonne v návrhu medzivrstvy pre Li-S články anl.gov. Skúmajú tiež tuhé sírové batérie v partnerstve s NASA pre letectvo. Úrad pre technológie vozidiel DOE financoval viacero projektov na Li-S, Mg-S, a dokonca aj Li-Air a Al-Air, pričom si uvedomuje strategický význam nových chémií. Národné laboratóriá často spolupracujú s univerzitami (napr. Argonne spolupracovalo s tímom vrátane University of Illinois na sírových medzivrstvách) a zdieľajú poznatky, na ktorých môžu stavať startupy. Napríklad veľká časť poznatkov o správaní polysulfidov a pokročilej charakterizácii (pomocou nástrojov ako Argonne’s Advanced Photon Source na röntgenovú analýzu batérií anl.gov) pochádza z týchto laboratórií.
Ďalšie významné subjekty: Univerzity ako Monash University (Austrália) sa v roku 2020 dostali na titulky s Li-S batériou, ktorá vraj dokázala poháňať smartfón päť dní a vykazovala vynikajúcu stabilitu vďaka novému spojivu a dizajnu elektródy advancedsciencenews.com. Monash odvtedy pracuje aj na rýchlonabíjacej Li-S, zameranej na použitie v elektrickom letectve monash.edu. Vo Veľkej Británii bola dnes už zaniknutá Oxis Energy priekopníkom v Li-S; pred svojím zatvorením v roku 2021 Oxis vyvinul Li-S články blížiace sa k 400 Wh/kg a spolupracoval s výrobcami lietadiel. Jeho duševné vlastníctvo získali iné subjekty, čo možno ovplyvní nové projekty. Čínska akadémia a priemysel sú mimoriadne aktívne – inštitúcie ako Čínska akadémia vied, Wuhan University of Technology (ktorá bola spoluautorkou Sadowayho článku o Al-S news.mit.edu), a spoločnosti ako CATL skúmajú sírové a hliníkové chémie, hoci detaily sú niekedy utajené. Dokonca aj Tesla na Battery Day v roku 2020 naznačila záujem o síru (Elon Musk vtipkoval o tom, že Tesla skúma „lítium a síru“ bez ďalších podrobností, pravdepodobne pre dlhodobé projekty). Nakoniec, NASA a Boeing skúmajú Li-S pre lietadlá: NASA projekt SABERS má viacvrstvovú sírovú batériu, ktorá dosiahla 500 Wh/kg, čo by mohlo umožniť elektrické lietadlá alebo pokročilé drony businessaviation.aero.

Je zrejmé, že globálny ekosystém inovátorov posúva hliníkové a sírové batérie vpred – od malých startupov po uznávané národné laboratóriá. V nasledujúcich rokoch (2025–2030) pravdepodobne niektoré z týchto snáh prinesú ovocie v podobe reálnych produktov a pilotných nasadení.

Prelomové objavy a nedávne inovácie (2024–2025)

Obdobie rokov 2024 až 2025 je obzvlášť vzrušujúce pre vývoj hliníkových a sírových batérií, s viacerými pozoruhodnými prelomami:

Jan 2024 – Hliník-síra pri 85 °C (Nature Communications): Vedci predviedli novú hliníkovo-sírovú batériu, ktorá funguje pri 85 °C so štvorkomponentným roztaveným soľným elektrolytom, publikovanú v Nature Communications nature.com. Táto batéria preukázala schopnosť rýchleho nabíjania a prekvapivú životnosť: po 1 400 cykloch si zachovala 85,4 % svojej kapacity pri nabíjacom prúde 1C nature.com. Dôležité je, že 85 °C je veľkým zlepšením oproti skorším batériám s roztavenou soľou, ktoré potrebovali 110–180 °C nature.com. Tím to dosiahol formulovaním špeciálnej zmesi solí (alkalických chlóraluminátov) s nízkym bodom topenia, čo tiež umožnilo rýchly pohyb hliníkových iónov nature.com. Použili tiež poréznu uhlíkovú katódu dopovanú dusíkom, ktorá pomohla urýchliť reakcie síry nature.com. Tento výsledok je významný, pretože naznačuje smer k praktickým, nízkonákladovým batériám pre siete, ktoré by mohli fungovať s jednoduchým ohrevom (dokonca len horúcou vodou ako zdrojom tepla, ako autori poznamenávajú nature.com) a poskytovať rýchle nabíjanie bez degradácie. Je to krok k tomu, aby sa koncept MIT Al-S batérie stal užívateľsky prívetivejším a mobilnejším.
Okt 2024 – Lyten oznamuje Li-S gigatováreň: Oznámenie spoločnosti Lyten o gigatovárni na lítium-sírové batérie v Nevade bolo v závere roka 2024 veľkou správou v odvetví lyten.com. Má to byť prvá gigatováreň na svete venovaná výrobe Li-S článkov, s cieľom dosiahnuť produkciu 10 GWh/rok do roku 2027 lyten.com. Ešte pozoruhodnejšie bolo, že Lyten uviedol, že jeho Li-S batérie už vstupujú na vybrané trhy v rokoch 2024 a 2025 – konkrétne majú zákazníkov v oblasti mikromobility (e-bicykle, kolobežky), letectva (možno satelity alebo vysokovýškové drony), dronov a obranných aplikácií využívajúcich ich batérie lyten.com. To naznačuje, že Lyten prešiel od laboratórnych prototypov k pilotnej výrobe a skutočnému používaniu v týchto segmentoch. Rozhodnutie postaviť veľkú továreň naznačuje dôveru v škálovanie technológie a v to, že sa objaví dopyt po nej. Je to tiež veľký signál pre batériový priemysel a investorov, že lítium-sírové batérie sa blížia k pripravenosti na masové nasadenie. V dôsledku toho možno čoskoro uvidíme produkty s označením „Li-S batéria vo vnútri“, aspoň v špičkových alebo špecializovaných aplikáciách.
2023 – 2024 – Riešenie životnostnej hádanky sírového cyklu: Počas roku 2023 a začiatkom roku 2024 viaceré výskumné skupiny publikovali pokroky v predlžovaní životnosti sírových batérií. Jedným z vrcholov bola štúdia vedená Argonne (publikovaná v auguste 2022 v Nature Communications), ktorá preukázala, že redox-aktívna medzivrstva môže dramaticky zlepšiť stabilitu Li-S batérií anl.gov. Začiatkom roku 2023 oznámili, že tento prístup prináša články, ktoré si udržiavajú vysokú kapacitu počas stoviek cyklov anl.gov, čím sa Li-S batérie približujú k použiteľnosti v každodennom živote. V polovici roku 2024 iný tím oznámil skladaciu, flexibilnú Li-S batériu využívajúcu špeciálnu katódu zo sírnika železa, ktorá dokázala fungovať aj po prerezaní bez zlyhania acs.org – novátorské riešenie pre nositeľnú alebo flexibilnú elektroniku využívajúcu Li-S. Tieto postupné inovácie sú dôležité: riešia praktické problémy (ako manažment polysulfidov, mechanické namáhanie atď.) jeden po druhom. Každé zlepšenie približuje Li-S články k splneniu prísnych požiadaviek komerčnej elektroniky a vozidiel.
2024 – Výskum a vývoj hliníkových batérií naberá na obrátkach: Na strane hliníka sa koncom roku 2024 objavil tiež zaujímavý výskum. Vedci skúmali nové katódové materiály pre hliníkovo-iónové batérie, ako je sírnik kobaltnatý, aby dosiahli vyššiu kapacitu a lepšie pochopenie mechanizmov ukladania náboja nature.com. Rastie aj množstvo prác o „multivalentných“ batériách (vrátane Al, Mg, Zn), ktoré často zdieľajú výzvy aj prelomové objavy – napríklad vylepšené elektrolyty, ktoré pomáhajú jednému systému, môžu byť niekedy použité aj v inom advanced.onlinelibrary.wiley.com. Vidíme tiež, že krajiny ako India investujú do technológie hliníkových batérií, nielen prostredníctvom hliníkovo-vzduchových batérií Phinergy, ale aj akademickým výskumom na vytvorenie nabíjateľnej hliníkovej batérie vhodnej pre indické podmienky (s vládnym financovaním projektov v rámci národnej misie pre skladovanie energie). Hoci tieto zatiaľ nevyvolali celosvetovú pozornosť, prispievajú k rastúcemu záujmu o hliníkové batérie na celom svete.
Politické a trhové signály: Príbehy o prelomoch nie sú len technické. V rokoch 2024–2025 vidíme silné trhové signály podporujúce tieto nové batérie. Americký zákon o znížení inflácie (IRA) a ďalšie politiky podporujú domáce dodávateľské reťazce batérií – čo prospieva chémiám, ktoré možno vyrábať z lokálne dostupných materiálov, ako je síra (USA produkujú veľa síry z rafinácie ropy) a hliník. Gigafabrika spoločnosti Lyten v Nevade a záujem amerického ministerstva obrany o ľahké Li-S batérie pre vojakov alebo satelity sú výsledkom týchto stimulov lyten.com. V Európe je tlak na udržateľnosť dôvodom, prečo je batéria bez kobaltu a niklu veľmi atraktívna, a preto EÚ financuje projekty ako Theion a ďalšie. Dokonca aj v Číne, kde dominuje výroba lítium-iónových batérií, existujú štátom podporované programy pre „batérie novej generácie“ (napríklad CATL údajne pracuje na hybridnej sodíkovo-sírovej batérii s uvedením na trh okolo rokov 2023/24 pre stacionárne úložiská). Všetky tieto trendy naznačujú, že nastal čas pre hliníkové a sírové batérie – svet hľadá riešenia a technológia dobieha tieto potreby.

V podstate posledné dva roky premenili hliníkové a sírové batérie z okrajovej laboratórnej zaujímavosti na vážnych kandidátov na budúcnosť skladovania energie. Ako výstižne povedal jeden vedec, „Sme o krok bližšie k tomu, aby sme túto technológiu videli v našom každodennom živote.“ anl.gov Tento postupný pokrok je presne to, čo sa teraz deje, a ďalším krokom bude širšia komercializácia a škálovanie týchto inovácií.

Potenciálne aplikácie a vplyv na čistú energiu a elektromobily

Nástup hliníkových a sírových batérií by mohol ovplyvniť široké spektrum odvetví. Tu sú niektoré z najsľubnejších aplikácií a ich dôsledky:

🏠 Ukladanie obnoviteľnej energie (sieť a domácnosť): Možno najväčší krátkodobý vplyv bude v oblasti stacionárneho ukladania energie pre čistú energiu. Jednou z hlavných výziev obnoviteľných zdrojov energie (solárna, veterná) je prerušovanosť – slnko a vietor nie sú k dispozícii 24/7, takže potrebujeme obrovské, cenovo dostupné batérie na ukladanie energie na časy, keď neprodukujú. Lítium-iónové batérie sa začali používať na ukladanie energie do siete, ale stále sú relatívne drahé a závislé od dovážaných materiálov. Hliníkovo-sírové a sodíkovo-sírové batérie, so svojimi veľmi lacnými komponentmi, by mohli drasticky znížiť náklady na uloženie kilowatthodiny. Sadoway z MIT sa so svojou Al-S batériou zameral konkrétne na domácnosti a susedské meradlo – „veľkosť potrebnú na napájanie jednej domácnosti alebo malého až stredného podniku“ (v rádoch desiatok kWh) news.mit.edu. Takéto batérie by umožnili majiteľom domov s fotovoltikou na streche lacno ukladať energiu vyrobenú cez deň na nočné použitie, alebo malým podnikom mať záložný zdroj energie bez naftového generátora. Vo väčšom meradle by energetické spoločnosti mohli nasadiť obrovské banky hliníkových alebo sodíkovo-sírových batérií na vyrovnávanie výroby z obnoviteľných zdrojov. Tím z University of Sydney poznamenal, že ich nízkonákladová Na-S batéria by mohla „výrazne znížiť náklady na prechod na dekarbonizovanú ekonomiku“ tým, že poskytne cenovo dostupné ukladanie energie sydney.edu.au. Na miestach, kde nie je vhodná geografia pre prečerpávacie vodné elektrárne, sú tieto elektrochemické riešenia kľúčové. Navyše, keďže tieto nové batérie nie sú horľavé (dôležité pre bezpečnosť komunity) a využívajú hojne dostupné materiály, môžu sa vyrábať a inštalovať lokálne v mnohých regiónoch – čím sa zvyšuje energetická bezpečnosť. Celkovo by široké nasadenie stacionárnych hliníkovo/sírových batérií umožnilo vyšší podiel obnoviteľných zdrojov energie, znížilo by obmedzovanie (straty solárnej/veternej energie kvôli nedostatku úložiska) a pomohlo by stabilizovať sieť čistou, regulovateľnou energiou.
🚗 Elektrické vozidlá (EV): Ľahšie a energeticky hustejšie batérie sú svätým grálom pre EV a dokonca aj pre elektrickú leteckú dopravu. Lítium-sírové batérie sú v tomto smere obzvlášť atraktívne. Li-S batéria by mohla dramaticky predĺžiť dojazd EV bez pridania hmotnosti – alebo naopak, umožniť rovnaký dojazd s oveľa ľahšou batériou, čím sa zlepší efektivita. Napríklad, ak dnes EV potrebuje 600 kg Li-ion batériu na dojazd 300 míľ, Li-S batéria s 2× energetickou hustotou by to mohla dosiahnuť s ~300 kg, čím by sa výrazne znížila hmotnosť vozidla. To zlepšuje akceleráciu, ovládateľnosť a znižuje spotrebu energie na míľu. Mohlo by to tiež urobiť elektrické nákladné autá a autobusy životaschopnejšími tým, že uvoľní hmotnosť pre náklad. Spoločnosti ako Oxis Energy (pred zatvorením) a Sion Power spolupracovali s partnermi z leteckého a automobilového priemyslu na Li-S prototypových batériách pre diaľkové lietadlá a EV. V skutočnosti, skoršie Li-S články od Sion Power poháňali High Altitude Pseudo-Satellite (nepilotované solárne lietadlo), ktoré v 2010-tych rokoch prekonalo rekordy v dĺžke letu. Nedávno NASA a Airbus skúmali Li-S ako jeden z mála spôsobov, ako dosiahnuť požadovaných 500 Wh/kg pre praktické elektrické lietadlá pre pasažierov businessaviation.aero – úspech ich projektu SABERS naznačuje, že regionálne elektrické lietadlá na báze sírových batérií sú na obzore. Elektrické lietajúce taxíky a drony by taktiež profitovali; Theion výslovne spomenul lietajúce vozidlá ako cieľ reuters.com. Okrem Li-S majú v EV úlohu aj hliníkovo-vzduchové batérie: mohli by slúžiť ako modul na predĺženie dojazdu, ktorý aktivujete na dlhé cesty. Predstavte si EV s malou Li-ion batériou na každodenné dochádzanie a hliníkovo-vzduchovou „pomocnou batériou“, ktorú doplníte (vymeníte hliník) len pri 1 000 km cestách. Takéto hybridné batériové architektúry sa zvažujú v projektoch Indian Oil/Phinergy a ďalších. Treba poznamenať, že bežné EV neprejdú na úplne novú chémiu zo dňa na deň – bezpečnosť, životnosť a rýchle nabíjanie musia byť preukázané – ale koncom 2020-tych rokov je možné, že špičkové modely alebo špeciálne vozidlá prídu s batériami novej generácie. Ak áno, mohlo by to posunúť výkon EV na novú úroveň (dojazd 500+ míľ, veľmi rýchle nabíjanie, ľahšie autá) a znížiť závislosť od kritických nerastov, čím by sa umožnila masovejšia adopcia EV bez úzkych miest v zdrojoch.
📱 Prenosná elektronika a nositeľné zariadenia: Váš budúci smartfón alebo laptop by mohol tiež ťažiť z batérií na báze síry alebo hliníka, hoci tieto aplikácie vyžadujú dlhú životnosť cyklov a nízke samovybíjanie (v čom sú Li-ion batérie momentálne výborné). Lítiovo-sírová batéria by mohla zabezpečiť, že váš telefón vydrží niekoľko dní medzi nabíjaniami – spomeňte si na koncept Monash University, kde telefón vydržal 5 dní na Li-S batérii advancedsciencenews.com. Úspora hmotnosti nie je pri telefóne až taká dôležitá, ale energetická hustota áno. Jednou z výziev je, že spotrebná elektronika očakáva stovky cyklov a roky životnosti; Li-S bude potrebovať ešte vylepšenie, aby to splnila. Napriek tomu by sme mohli vidieť, že špecifické zariadenia alebo nositeľné technológie ich začnú využívať, ak ponúknu výhodu v tvare či dizajne. Hliníkové batérie, najmä flexibilné dizajny ako tie zo Stanfordu, by mohli umožniť skladacie alebo rolovateľné zariadenia. Napríklad hliníkovo-iónová batéria, ktorá je flexibilná, by mohla byť integrovaná do remienka inteligentných hodiniek alebo do inteligentného oblečenia. Taktiež, keďže Al-ion batérie môžu byť veľmi bezpečné (bez rizika požiaru), mohli by byť zabudované do zariadení bez objemných ochranných obalov, čo by možno umožnilo kreatívnejší priemyselný dizajn. Toto sú zatiaľ špekulácie, ale s rozvojom výroby by spotrebná elektronika mohla byť dôležitým trhom (napokon, bola ním aj pre počiatočný rast lítiovo-iónových batérií v 90. rokoch).
⚡ Infraštruktúra rýchleho nabíjania: Jednou z menej zrejmých, ale dôležitých aplikácií je použitie týchto nových batérií na umožnenie rýchleho nabíjania elektromobilov a stabilizáciu siete. Ako poukázal profesor Sadoway, ak sa naraz pokúsi nabíjať veľa elektromobilov (napríklad viacero áut na odpočívadle diaľnice), dopyt po energii prudko stúpne nad to, čo elektrická sieť dokáže ľahko dodať news.mit.edu. Namiesto modernizácie elektrických vedení je rozumnejšie nainštalovať batériový buffer na nabíjacích staniciach – batéria sa pomaly nabíja zo siete a potom rýchlo dodá energiu autám, keď je to potrebné. Pre takéto buffer batérie sú najdôležitejšie cena a bezpečnosť, hmotnosť je menej podstatná. To robí z hliníkovo-sírových alebo sodíkovo-sírových batérií ideálnych kandidátov. Sú umiestnené na mieste, lacno skladujú energiu, nehrozí im požiar a dokážu rýchlo uvoľniť náboj. Sadoway konkrétne spomenul, že Al-S systémy by mohli „odstrániť potrebu inštalácie drahých nových elektrických vedení“ pre skupiny rýchlonabíjačiek news.mit.edu. V podstate tieto batérie môžu pôsobiť ako tlmiče nárazov pre elektrickú sieť, absorbovať prebytočnú energiu a uvoľňovať ju na požiadanie, či už ide o špičky pri nabíjaní elektromobilov alebo vyrovnávanie výkyvov v produkcii obnoviteľných zdrojov.
🏭 Priemyselné a komerčné záložné zdroje: Rovnako ako telekomunikačné veže využívajú hliníkovo-vzduchové batérie ako záložný zdroj energie, aj iné odvetvia a komerčné zariadenia by mohli používať hliníkové alebo sírové batérie na zabezpečenie spoľahlivosti a zníženie závislosti od dieselových generátorov. Dátové centrá napríklad vyžadujú batérie, ktoré sú bezpečné, majú dlhú pohotovostnú životnosť a sú nákladovo efektívne vo veľkom meradle – možno si predstaviť miestnosti so sodíkovo-sírovými batériami, ktoré nahradia súčasné banky lítium-iónových alebo olovených batérií používaných pre UPS (neprerušiteľné zdroje napájania). Na odľahlých alebo mimo-sieťových miestach sú lacné batérie, ktoré nevyžadujú častú výmenu, mimoriadne cenné (menej servisných výjazdov). Hliníkovo-sírové batérie, ktoré sa predpokladajú ako veľmi nízkonákladové na kWh, by mohli umožniť vznik mikrosietí vo vidieckych alebo ostrovných komunitách, v kombinácii so solárnou alebo veternou energiou, na poskytovanie nepretržitej energie bez vysokých nákladov.
🚀 Letecký a obranný priemysel: Vysoký výkon týchto batérií je prirodzene atraktívny pre letecké a obranné aplikácie. Ako už bolo spomenuté, satelity a vysokovýškové drony (pseudo-satelity) úspešne využívali Li-S vďaka ich nízkej hmotnosti a dobrému výkonu pri nízkych teplotách (batérie vo vesmíre často pracujú v chlade). Americká armáda má záujem o ľahšie batérie pre vojakov (na zníženie záťaže nosenia mnohých kilogramov lítium-iónových batérií) – sírová batéria by mohla túto záťaž výrazne znížiť. Navyše, keďže sírové batérie neobsahujú zlúčeniny uvoľňujúce kyslík (na rozdiel od Li-ion, ktoré môžu pri tepelnom úniku uvoľňovať O₂), môžu byť bezpečnejšie v uzavretých priestoroch, ako sú ponorky alebo vesmírne lode. Hliníkovo-vzduchové batérie by mohli slúžiť ako podvodný zdroj energie pre dlhoperujúce bezposádkové ponorky, kde je dopĺňanie hliníka uskutočniteľné. Obranný sektor často pôsobí ako skorý používateľ najmodernejších technológií, ktoré sa neskôr rozšíria, takže ich investície do technológií hliníkových a sírových batérií môžu urýchliť vývoj. V skutočnosti, prvé angažmány spoločnosti Lyten v rokoch 2024–25 na trhoch vesmíru, dronov a obrany naznačujú, že obranné kontrakty pomáhajú overiť technológiu lyten.com pred jej širším spotrebiteľským využitím.

Vo všetkých týchto aplikáciách je hlavným dopadom umožnenie, aby prechod na čistú energiu prebiehal rýchlejšie a ďalej. Znížením nákladov na batérie a oslobodením nás od obmedzení dodávateľského reťazca lítium-iónových batérií by hliníkové a sírové batérie mohli sprístupniť elektromobily väčšiemu počtu ľudí (kľúčové pre dekarbonizáciu dopravy), urobiť obnoviteľnú energiu spoľahlivejšou a rozšírenejšou (kľúčové pre dekarbonizáciu elektriny) a dokonca vytvoriť nové možnosti, ako je elektrický let. Majú tiež environmentálne výhody pri používaní: napr. nahradenie dieselových záložných generátorov hliníkovo-vzduchovými alebo sodíkovo-sírovými batériami znižuje miestne znečistenie ovzdušia a emisie CO₂. Ak technológia splní svoj sľub, svet by mohol vidieť lacnejšie elektromobily, odolnejšie čisté siete a zníženie ťažby vzácnych kovov – pozitívnu spätnú väzbu pre ekonomiku aj životné prostredie.

Ekonomické a environmentálne dôsledky

Z ekonomického hľadiska by hliníkové a sírové batérie mohli byť prelomové tým najlepším spôsobom: znižovaním nákladov na skladovanie energie a diverzifikáciou dodávateľského reťazca. Batéria tvorí významnú časť ceny elektromobilu alebo systému obnoviteľnej energie, takže lacnejšie batérie znamenajú lacnejšie produkty a rýchlejšie prijatie. Analytici poznamenali, že materiály ako hliník a síra stoja len zlomok ceny lítia, niklu alebo kobaltu. Napríklad jeden odhad uvádza, že náklady na materiály pre hliníkovo-sírové články sú len ~15 % ekvivalentného lítium-iónového článku news.mit.edu. Ak by sa tieto úspory premietli do výroby, mohli by sme vidieť, že ceny batérií (na kWh) klesnú hlboko pod súčasnú krivku učenia lítium-iónových batérií. Lacné skladovanie by potom mohlo poháňať ekonomický rast umožnením nových obchodných modelov (ako viac solárnych fariem, komunitných projektov skladovania atď.) a znížením nákladov na energiu pre spotrebiteľov (predstavte si, že si každé popoludnie nabijete domácu batériu solárnou energiou a nikdy neplatíte špičkové sadzby za elektrinu zo siete).

Existuje aj geopolitický rozmer: Produkcia lítium-iónových batérií je dnes silne koncentrovaná (Čína dominuje vo výrobe článkov a krajiny ako DRC dodávajú kľúčové nerasty). Hliník sa však taví po celom svete (a recyklácia poskytuje aj lokálny zdroj) a síra je všadeprítomná. Mnohé krajiny, ktoré nemajú zdroje lítia, majú silný hlinikársky priemysel (napr. India, ako sme videli pri IOC Phinergy). Hliníkové batérie by teda mohli umožniť viacerým krajinám budovať domáci batériový priemysel bez závislosti od dovážaného lítia alebo kobaltu. Táto diverzifikácia by mohla znížiť globálne riziká v dodávateľskom reťazci a urobiť prechod na elektrickú mobilitu a obnoviteľnú energiu odolnejším voči nedostatku alebo politickej nestabilite. V Nevade je príkladom plánovaná továreň Lyten – používanie síry z USA a montáž batérií na domácej pôde lyten.com je v súlade s politikami na presun výroby batérií do krajiny a vytváranie miestnych pracovných miest (predpokladajú 1 000 pracovných miest pri plnej kapacite v tejto jednej továrni lyten.com).

Z environmentálneho hľadiska tieto batérie ponúkajú viacero výhod:

Nižšia uhlíková stopa: Výroba batérií je energeticky náročná, ale sírové a hliníkové batérie sa dajú vyrábať s menej exotickým spracovaním. Rafinácia kobaltu a niklu je obzvlášť náročná na uhlík. Ich vylúčením môžu výrobcovia znížiť emisie CO₂ na kWh batérie. Theion uviedol zníženie uhlíkovej stopy o 2/3 pri svojich sírových batériách v porovnaní s Li-ion reuters.com. Síra môže byť tiež získavaná ako odpadový produkt (prakticky nulové dodatočné uhlíkové náklady na jej získanie) a recyklácia hliníka spotrebuje len ~5 % energie oproti primárnej výrobe hliníka – takže použitie recyklovaného hliníka v batériách by výrazne znížilo ich zabudovanú energiu.
Recyklácia a koniec životnosti: Hliník je už jedným z najviac recyklovaných materiálov (spomeňte si na hliníkové plechovky). Existuje infraštruktúra na tavenie hliníkového šrotu a jeho opätovné použitie. Ak by sa hliníkové batérie stali bežnými, je možné si predstaviť, že použité hliníkové anódy by sa rutinne zbierali a recyklovali s vysokou účinnosťou – kruhová ekonomika pre batériový kov. Síra môže byť v kontexte batérií ťažšie recyklovateľná priamo z článkov (najmä ak je viazaná v zlúčeninách), ale keďže je lacná a netoxická, aj keby skončila na skládke, nepredstavuje tak veľké environmentálne riziko ako napríklad olovo alebo kadmium v starších batériách. Vedci môžu nájsť spôsoby, ako síru získať späť alebo premeniť odpadovú síru z batérií na užitočné chemikálie (síra sa napríklad používa aj v hnojivách). Absencia ťažkých kovov v týchto batériách znamená menej toxického elektroodpadu v prípade nesprávnej likvidácie a ideálne aj jednoduchšiu manipuláciu v recyklačných zariadeniach.
Znížený vplyv ťažby: Ťažba lítia, kobaltu a niklu má významné environmentálne a sociálne dopady – od spotreby vody pri ťažbe lítiových soľných roztokov, cez ničenie biotopov a znečistenie v okolí niklových baní, až po problémy s detskou prácou v niektorých kobaltových baniach. Znížením alebo odstránením potreby týchto materiálov by hliníkové a sírové batérie mohli tieto tlaky zmierniť. Hliník nie je bez vplyvu (ťažba bauxitu a tavenie hliníka majú svoje vlastné problémy ako červený kal a vysokú spotrebu elektriny), ale tieto procesy sú v mnohých krajinách dobre regulované a technológia sa zlepšuje (napr. inertné anódy na tavenie hliníka na zníženie emisií). A opäť, recyklácia hliníka výrazne znižuje potrebu novej ťažby. Použitie síry je najmä o opätovnom využití existujúceho vedľajšieho produktu – môže to v skutočnosti vyriešiť problém (obrovské zásoby síry), namiesto toho, aby vytvorilo nový.
Bezpečnosť a zdravie: Požiare batérií boli problémom pri lítium-iónových batériách, keďže horiace Li-ion batérie uvoľňujú toxické výpary a môžu spôsobiť ťažko hasiteľné požiare (ako ukázali niektoré incidenty s požiarom elektromobilov). Nehorľavé batérie znamenajú menej požiarov, čo je bezpečnostné víťazstvo pre spoločnosť. Znamená to aj bezpečnejšiu manipuláciu s batériami pri preprave a v zberných dvoroch. Napríklad vyradené elektromobily s Li-ion batériami predstavujú riziko požiaru, ak sú poškodené; elektromobil s hliníkovo-sírovou batériou by mohol byť oveľa bezpečnejší na demontáž. Rovnako v spotrebnej elektronike – menej zariadení, ktoré explodujú alebo sa vznietia (spomeňte si na neslávne známe požiare batérií v telefónoch), je prínosom pre verejné zdravie a dôveru v batériové technológie.
Čistá záložná energia: Na miestach, ktoré sú v súčasnosti závislé od dieselových generátorov na záložné alebo vzdialené napájanie (ostrovy, núdzové prístrešky, telekomunikačné veže), ich nahradenie hliníkovo-vzduchovými alebo sodíkovo-sírovými batériami eliminuje spaľovanie nafty, čo znamená žiadne emisie skleníkových plynov, žiadne znečistenie prachovými časticami a žiadny hluk. Ide o priamy environmentálny a kvalitatívny prínos. Napríklad telekomunikačné veže poháňané hliníkovo-vzduchovými batériami v Indii budú produkovať nulové miestne emisie, zatiaľ čo dieselové generátory prispievajú k znečisteniu ovzdušia a emisiám uhlíka.

Celkovo majú hliníkové a sírové batérie potenciál demokratizovať skladovanie energie – spraviť ho cenovo dostupným a environmentálne neškodným natoľko, že budeme môcť batérie nasadiť všade tam, kde ich potrebujeme na umožnenie čistej energetickej budúcnosti. Nebudú všeliekom (pravdepodobne budeme používať mix batériových technológií), ale ich vstup na trh môže znížiť náklady a prinútiť všetkých výrobcov batérií zlepšiť udržateľnosť.

Samozrejme, ekonomický úspech týchto batérií nie je zaručený; musia dokázať, že sa dajú vyrábať lacno a spoľahlivo fungovať vo veľkom meradle. No nedávne investície a úspechy prototypov sú veľmi povzbudivé. Ak uspejú, prínosom nebude len lacnejšie elektrické autá alebo lepšie zariadenia – pôjde o významné zníženie environmentálneho dopadu nášho používania batérií a podporu globálneho úsilia o dekarbonizáciu.

Záver: Svetlá budúcnosť poháňaná bežnými prvkami

Hliníkové a sírové batérie, kedysi považované za outsiderov, sa rýchlo približujú ku komerčnej realite. Tieto batérie stelesňujú presvedčivú myšlienku: použiť jednoduché, dostupné zložky na riešenie zložitých energetických problémov. V posledných rokoch pokroky v chémii a materiálových vedách túto myšlienku výrazne priblížili k realizácii. Dnes už máme prototypy hliníkovo-sírových článkov, ktoré sa dajú rýchlo nabiť za pár minút a vydržia tisíce cyklov nature.com, lítiovo-sírové batérie, ktoré dosahujú energetické hustoty, o akých sa pred desiatimi rokmi len snívalo reuters.com, a dokonca aj hliníkovo-vzduchové systémy, ktoré už v reálnych podmienkach dodávajú čistú energiu evreporter.com.

Prechod od závislosti na vzácnych kovoch a drahých dovozoch k batériám vyrobeným z „lacných“ prvkov ako Al a S by mohol zmeniť batériový priemysel podobne, ako kremík zmenil priemysel elektroniky – umožniť masové rozšírenie a zníženie nákladov. Ako poznamenal Sadoway, tieto nové batérie majú „všetko, o čom by ste snívali, že by batéria mala mať: lacné elektródy, dobrú bezpečnosť, rýchle nabíjanie, flexibilitu a dlhú životnosť“ news.stanford.edu. Stále je čo dolaďovať, ale smer je jasný.

V najbližších rokoch môžeme očakávať správy o pilotných nasadeniach (možno solárna farma v Kalifornii využívajúca hliníkovo-sírové články z MIT, alebo dron poháňaný Lyten Li-S batériou, ktorý prekonáva rekordy vo výdrži). Ako sa rozbehne výroba, náklady by mali ďalej klesať a akékoľvek zostávajúce technické nedostatky – či už ide o životnosť cyklov alebo prevádzkovú teplotu – budú pravdepodobne vyriešené intenzívnym výskumom, ktorý prebieha po celom svete.

Pre širokú verejnosť sa vplyv môže prejaviť nenápadne, ale dôležitými spôsobmi: elektromobil, ktorý je lacnejší a má dlhší dojazd, smartfón, ktorý vydrží nabitý celý víkend, štvrť, ktorá má vďaka batérii svetlo aj počas výpadku siete spôsobeného búrkou – a to všetko s materiálmi bežnými ako hliníková fólia a záhradné hnojivo (síra). Svetový dopyt po batériách stále rastie a technológie na báze hliníka a síry zabezpečia, že ho budeme môcť uspokojiť udržateľne.

Ako jeden z vedcov zapojených do vývoja týchto batérií optimisticky uviedol, „Tieto výsledky dokazujú … obrovský vplyv na vývoj [batérií]. Sme o krok bližšie k tomu, aby sme túto technológiu videli v našom každodennom živote.“ anl.gov Skutočne, budúcnosť, v ktorej budú naše životy poháňané hliníkom a sírou – dvoma z najnenápadnejších prvkov Zeme – je už viditeľne na obzore. Revolúcia v skladovaní energie je v plnom prúde a je budovaná na základoch bežnej chémie, inovatívneho inžinierstva a naliehavej snahy o čistejšiu a lacnejšiu energetickú budúcnosť.

Zdroje: Informácie a citácie v tejto správe pochádzajú z nedávnych dôveryhodných zdrojov, vrátane recenzovaných štúdií, tlačových správ univerzít, priemyselných správ a správ agentúry Reuters. Kľúčové odkazy zahŕňajú MIT News o hliníkovo-sírovej batérii news.mit.edu, prelomové objavy Argonne National Lab v oblasti lítium-sírových batérií anl.gov, spravodajstvo Reuters o vývoji spoločností Theion a Lyten reuters.com, lyten.com a rozhovory s lídrami v odvetví (napr. generálny riaditeľ Phinergy o výhodách hliníkovo-vzduchových batérií evreporter.com). Tieto a ďalšie citácie v texte poskytujú podrobné podporné dôkazy pre uvedené tvrdenia.