Umikni se, litij: aluminijeve in žveplove baterije sprožajo energetsko revolucijo

Januarja 2024 je študija v Nature Communications poročala o aluminij–žveplovi bateriji, ki deluje pri 85 °C z elektrolitom iz staljenega kloroaluminata in ohrani 85,4 % svoje kapacitete po 1.400 ciklih pri 1C.
Stanfordov aluminij-ionski baterijski prototip iz leta 2015 je uporabljal aluminijasto anodo in grafitno katodo, kar je omogočilo izjemno hitro polnjenje (približno eno minuto) in več kot 7.500 ciklov pri približno 2 V.
Leta 2014 je Phinergy demonstriral avtomobil, ki je lahko prevozil približno 1.100 milj z uporabo aluminij-zračnih baterij.
Aluminij-zračne baterije ponujajo približno trikrat večjo energijsko gostoto na težo kot litij-ionske baterije.
Januarja 2023 je Argonne National Laboratory demonstriral Li–S celice z redoks-aktivnim vmesnim slojem, ki je skoraj popolnoma odpravil shuttle efekt in omogočil več kot 700 ciklov.
Litij–žveplove celice so v laboratorijih dosegle energijske gostote okoli 400–500 Wh/kg, NASA-in projekt SABERS pa cilja na približno 500 Wh/kg za električno letalstvo.
Avgusta 2022 je Donald Sadoway z MIT predstavil aluminij–žveplovo baterijo z aluminijasto anodo in žveplovo katodo, ki uporablja elektrolite na osnovi staljenih soli za omogočanje poceni in varnega delovanja.
Oktobra 2024 je Lyten napovedal načrte za izgradnjo prve gigatovarne Li–S baterij na svetu v Nevadi, s ciljem 10 GWh/leto do leta 2027.
Marca 2025 je Theion zbral 15 milijonov evrov za povečanje proizvodnje kristalno-žveplovih Li–S celic, pri čemer trdijo, da imajo trikrat večjo energijsko gostoto kot Li-ion, tretjinsko ceno in tretjinske emisije CO₂, s planom prehoda iz gumbastih celic na večje vrečaste celice.
Leta 2023 sta Phinergy in Indian Oil Corporation predstavila prvo indijsko vozilo na aluminij-zračni pogon, kar nakazuje potencial za uvedbo na trg.

Predstavljajte si baterije iz navadne aluminijaste folije in žveplovega prahu, ki napajajo vse od domov do električnih avtomobilov za delček današnjih stroškov. Baterije na osnovi aluminija in žvepla se pojavljajo kot obetavne alternative tradicionalnim litij-ionskim celicam, saj ponujajo mamljivo možnost cenejšega, varnejšega in bolj trajnostnega shranjevanja energije. V tem poročilu raziskujemo, kaj so te aluminijaste in žveplove baterije, kako delujejo, različne tipe v razvoju (vključno z vznemirljivo kombinacijo aluminija in žvepla), njihove prednosti in izzive, ključne akterje, ki poganjajo preboje, ter kako bi lahko nedavne inovacije v letih 2024–2025 preoblikovale čisto energijo in električna vozila. (Vsi viri so navedeni zaradi verodostojnosti.)

Kaj so aluminijaste in žveplove baterije?

Aluminijaste baterije in žveplove baterije predstavljajo dve široki družini naslednje generacije polnilnih baterijskih tehnologij, ki si prizadevajo odpraviti omejitve današnjih litij-ionskih baterij. Preprosto povedano, uporabljajo aluminij ali žveplo (ali oboje) v svojih elektrokemijskih reakcijah namesto da bi se zanašale izključno na litijeve kemije. Tako kot vsaka baterija imajo tri glavne dele – pozitivno elektrodo (katodo), negativno elektrodo (anodo) in elektrolit vmes, ki prenaša ione med polnjenjem in praznjenjem. Ključna razlika je v kemiji: pri aluminijastih baterijah kovinski aluminij pogosto služi kot anoda (in v nekaterih zasnovah zagotavlja ione, ki prenašajo naboj), medtem ko pri žveplovih baterijah element žveplo običajno služi kot katodni material, ki sprejema ione iz kovinske anode (kot je litij ali natrij).

Zakaj raziskovati aluminij ali žveplo? Obe elementa sta izjemno obilni in poceni v primerjavi z litijem in kobaltom, ki se uporabljata v Li-ionskih celicah. Aluminij je najbolj razširjena kovina v Zemljini skorji in ima zelo visoko teoretično kapaciteto za shranjevanje naboja (vsak atom Al lahko odda 3 elektrone, kar mu daje kapaciteto 2,98 Ah na gram, kar je ogromno) nature.com. Žveplo je eden najcenejših nekovinskih elementov (pogosto je stranski produkt rafiniranja nafte) in se lahko veže z dvema litijevima ionoma na atom, kar omogoča zelo velik potencial shranjevanja energije nature.com, anl.gov. V teoriji bi baterije, ki uporabljajo aluminij ali žveplo, lahko shranile več energije glede na težo in bile bistveno cenejše od današnjih litij-ionskih baterij. Kot pojasnjujejo raziskovalci iz Argonne National Laboratory, “Žveplo je izjemno obilno in stroškovno učinkovito ter lahko shrani več energije kot tradicionalne ionske baterije.” anl.gov Podobno je aluminij poceni, široko dostopen in shranjuje naboj gosto tako po teži kot po prostornininature.com.

Drug velik motivator je varnost in trajnost. Litij-ionske baterije uporabljajo vnetljive organske tekoče elektrolite in pogosto zahtevajo redke kovine (kot so kobalt, nikelj, litij), kar povzroča težave z dobavno verigo in etične dileme. Nasprotno pa lahko številne zasnove aluminijevih in žveplovih baterij uporabljajo nevnetljive elektrolite (kot so ionske tekočine ali staljene soli) in se izognejo konfliktnih mineralom. Na primer, nedavna zasnova litij-žveplove baterije uporablja le “obilno dostopne lokalne materiale, kar odpravlja potrebo po rudarskih mineralih, kot so nikelj, kobalt, mangan in grafit,” po navedbah zagonskega podjetja Lyten lyten.com. Profesor MIT Donald Sadoway – vodilni inovator na področju baterij – je izrecno iskal “poceni, na Zemlji obilne” sestavine, da bi izumil nekaj “veliko boljšega od litij-ionskih baterij”, pri čemer se je v svoji najnovejši baterijski kemiji odločil za aluminij za anodo in žveplo za katodo news.mit.edu.

Skratka, aluminijeve in žveplove baterije so poskus izdelave cenejše, varnejše in bolj etične baterije z uporabo elementov, ki so obilni (brez globalnega pomanjkanja), poceni in imajo že po naravi visoko kapaciteto. Zdaj pa si poglejmo, kako te baterije delujejo v praksi in katere vrste so v razvoju.

Kako delujejo? (Osnove baterij v preprostem jeziku)

Baterije na osnovi aluminija običajno uporabljajo aluminijasto kovino kot anodo. Ko se baterija prazni, aluminijasta kovina odda elektrone (s tem nastane električni tok) in aluminijeve ione (Al³⁺), ki potujejo skozi elektrolit do katode. Glede na vrsto baterije se ti aluminijevi ioni bodisi vgradijo (interkalirajo) v material katode ali pa z njim reagirajo. Na primer, v aluminij-ionski bateriji se Al³⁺ ioni premikajo v plastovito katodo (kot je grafit ali kovinski oksid) in iz nje med polnjenjem news.stanford.edu. V aluminij-žveplovi bateriji aluminijevi ioni reagirajo z žveplom na katodi in tvorijo aluminij-žveplove spojine med praznjenjem, nato pa se ob polnjenju vrnejo v aluminijasto kovino nature.com. In v aluminij-zračnih baterijah aluminijasta kovina reagira s kisikom iz zraka na posebni katodi, pri čemer nastane aluminijev oksid ali hidroksid – reakcija, ki sprošča elektriko, dokler se aluminijasta anoda ne porabi.

Baterije na osnovi žvepla običajno vključujejo žveplovo katodo v paru s kovinsko anodo (najpogosteje litij, lahko pa tudi natrij, magnezij ali aluminij). Če vzamemo za primer litij-žveplovo (Li-S) baterijo: pri praznjenju atomi litijeve kovine na anodi oddajo elektrone in postanejo litijevi ioni (Li⁺), ki potujejo skozi elektrolit do žveplove katode. Žveplo (S₈ molekule) se tam pretvori v litijev sulfid (Li₂S) z vgradnjo litijevih ionov – v bistvu žveplo vpija litijeve ione in elektrone ter tvori nove spojine, pri čemer se energija shrani v kemijske vezi. Med polnjenjem se ta proces obrne: litijevi ioni zapustijo žveplo in se vrnejo na anodo, žveplo pa se obnovi. Ker se lahko vsak atom žvepla veže z dvema atomoma litija, S₈ obroči pa se lahko razbijejo v različne litijeve polisulfidne molekule, lahko Li-S baterije teoretično shranijo 3–5-krat več energije na težo kot Li-ionske. Natrij-žveplove (Na-S) baterije delujejo podobno z natrijevimi ioni in običajno tvorijo natrijeve polisulfide ali natrijev sulfid.

Pri vseh teh baterijah ioni potujejo sem in tja skozi elektrolit, medtem ko elektroni tečejo skozi zunanji krog – tako se baterija polni in prazni. Elektrolit je lahko tekočina, gel ali trdna snov, ki omogoča gibanje ionov, elektrone pa prisili, da gredo skozi krog (kar napaja vašo napravo). Pomembno je, da nekatere od teh novih kemij zahtevajo posebne elektrolite za delovanje. Aluminij-ionske baterije pogosto uporabljajo ionske tekočine ali elektrolite na osnovi staljenih soli, ker Al³⁺ ioni močno reagirajo z običajnimi topili. Pravzaprav so prve polnilne aluminijaste baterije postale uporabne šele, ko so raziskovalci odkrili ionsko tekočino pri sobni temperaturi (na osnovi kloroaluminatnih soli), ki omogoča, da aluminijevi ioni učinkovito vstopajo in izstopajo iz grafitne katode news.stanford.edu. Podobno litij-žveplove baterije pogosto uporabljajo spremenjene tekoče elektrolite ali trdne elektrolite, da preprečijo težave, o katerih bomo govorili kasneje (na primer uhajanje žvepla v elektrolit).

Če povzamemo preprosto: aluminijeve baterije proizvajajo energijo tako, da aluminijeva kovina odda več elektronov na atom (izjemno visok naboj na kovinski atom) in tvori vezi bodisi z gostiteljskim katodom ali s kisikom/žveplom, medtem ko žveplove baterije proizvajajo energijo tako, da lahek, razširjen element (žveplo) zajame kovinske ione in elektrone v energijsko bogate spojine. Obe zasnovi nas premikata onkraj enojnega prenosa litijevih ionov v trenutnih baterijah, kar potencialno omogoča večjo energijsko gostoto na polnjenje. Nato si poglejmo posebne vrste teh baterij, ki so v razvoju.

Vrste baterij na osnovi aluminija

Raziskovalci preučujejo več vrst baterij, ki uporabljajo aluminij na različne načine:

Polnilne aluminij-ionske baterije (Al-Ion): Te baterije uporabljajo aluminijasto kovino kot anodo in običajno grafitno katodo s posebnim ionskim tekočinskim elektrolitom. Znani zgodnji primer prihaja s Stanford University iz leta 2015, kjer so znanstveniki predstavili prototip aluminij-ionske baterije z aluminijasto anodo in grafitno katodo v ionski tekočini. Pokazala je izjemno hitro polnjenje (majhno celico je bilo mogoče napolniti v približno eni minuti!) in izjemno dolgo življenjsko dobo (več kot 7.500 polnilnih ciklov brez izgube kapacitete) news.stanford.edu. Stanfordova celica je bila tudi zelo varna – raziskovalci so lahko prevrtali vrečasto celico, ne da bi se vžgala, za razliko od litijevih celic news.stanford.edu. Vendar pa je imela nižjo napetost (~2 volta, približno polovico napetosti tipične Li-ion celice) news.stanford.edu, kar pomeni, da bi bilo za dosego uporabnih napetosti potrebnih več celic v seriji. Ključna prednost: Al-ionske baterije obetajo hitro polnjenje, dolgo življenjsko dobo in izboljšano varnost (brez komponent, nagnjenih k vžigu), z uporabo poceni materialov (aluminij in ogljik) news.stanford.edu. Raziskave se osredotočajo na povečanje energijske gostote z iskanjem boljših katod in elektrolitov za povečanje napetosti in kapacitete news.stanford.edu. Več skupin po svetu (od Stanforda do kitajskih univerz news.mit.edu) napreduje pri aluminij-ionski tehnologiji. Na primer, raziskovalci preučujejo različne katodne materiale (tudi kovinske sulfide nature.com), da bi aluminijeve ione shranjevali učinkoviteje nature.com.
Aluminij-zračne baterije: Aluminij-zračna baterija je primarna baterija (ni jo mogoče polniti z elektriko, lahko pa jo morda “mehansko” ponovno napolnimo), kjer aluminijasta kovina reagira s kisikom iz zraka in tako proizvaja elektriko. Te celice imajo izjemno visoko energijsko gostoto, saj je katoda kar okoliški zrak – zaradi česar je baterija izjemno lahka. Pravzaprav imajo aluminij-zračni paketi približno 3-krat več energije na težo kot litij-ionske baterije na sistemski ravni evreporter.com. Slabost je, da ko se aluminijasta anoda oksidira v aluminijev hidroksid ali oksid, je celica “iztrošena” in potrebuje nov aluminij za nadaljevanje delovanja. Zaradi tega je aluminij-zračna baterija bolj podobna gorivni celici ali podaljševalniku dosega: zamenjali bi aluminijasto ploščo (in reciklirali uporabljeno), namesto da bi jo priklopili na polnjenje. Podjetja, kot je Phinergy v Izraelu, že leta razvijajo aluminij-zračne sisteme. V sodelovanju z Indian Oil Corporation preizkušajo aluminij-zračne baterije v električnih vozilih in stacionarnih rezervnih enotah. Leta 2023 so v Indiji predstavili majhen električni avtomobil, ki je prevozil več kot 500 km na aluminij-zračne celice, preden je potreboval “ponovno polnjenje” z aluminijemevreporter.com. Izvršni direktor Phinergyja, David Mayer, poudarja, da je aluminij-zračna tehnologija “varna, negorljiva,” ne zahteva težke polnilne infrastrukture in jo je mogoče “napolniti” (z zamenjavo aluminija) “v nekaj minutah” namesto v urah evreporter.com. Slabost je vzpostavitev celotne dobavne verige za množično proizvodnjo in recikliranje aluminijastih plošč. Kljub temu je ta tehnologija že komercialno uporabna v nišah: npr. aluminij-zračne enote Phinergy so nameščene kot rezervno napajanje za telekomunikacijske stolpe (namesto dizelskih generatorjev) v Izraelu in Evropi evreporter.com. Aluminij-zračne baterije morda ne bodo neposredno nadomestile polnilne baterije v vašem telefonu, lahko pa služijo kot podaljševalniki dosega za električna vozila ali za dolgotrajno shranjevanje energije – zagotavljajo ogromno energijsko rezervo, ki jo občasno zamenjate.
Aluminij-žveplove baterije: Zanimivo je, da nekateri raziskovalci združujejo aluminij in žveplo v eni bateriji – uporabljajo aluminij kot anodo in žveplo kot katodo, z elektrolitom iz staljene soli ali ionske tekočine. Ta hibridni pristop poskuša izkoristiti najboljše iz obeh elementov: visoko kapaciteto anode aluminija in visoko kapaciteto katode žvepla, vse to z izjemno poceni materiali. Avgusta 2022 je ekipa pod vodstvom Donalda Sadowaya z MIT predstavila novo zasnovo aluminij-žveplove baterije, ki je takoj pritegnila pozornost zaradi nizkih stroškov in zmogljivosti. Uporablja staljene kloroaluminatne soli kot elektrolit, ki deluje pri zmerni temperaturi (okoli 110 °C, podobno kot vroča skodelica kave), da ostane sol tekoča news.mit.edu. Ogrevan elektrolit je bila pametna izbira: ni le negorljiv in poceni, ampak tudi preprečuje nastanek dendritov – tistih nadležnih kovinskih konic, ki lahko povzročijo kratek stik v baterijah. Kot je povedal Sadoway, je izbrana sol »praktično upokojila te neobvladljive dendrite, hkrati pa omogočila zelo hitro polnjenje« news.mit.edu. Njegova prototipna aluminij-žveplova celica se je lahko napolnila v manj kot minuti brez kratkega stika in je delovala več sto ciklov s predvidenimi stroški na celico približno eno šestino stroškov primerljivih litij-ionskih celic news.mit.edu. To je ogromno znižanje stroškov, kar so potrdili tudi zunanji analitiki; stroški materiala za te baterije bi lahko bili za 85 % nižji kot pri litij-ionskih po podatkih revije Science news.mit.edu. Vizija je, da bi takšne celice uporabljali za stacionarno shranjevanje (npr. shranjevanje sončne energije za uporabo ponoči) in morda za podporo hitremu polnjenju električnih vozil. Sadowayevo zasnovo komercializira zagonsko podjetje Avanti, ki namerava v bližnji prihodnosti povečati proizvodnjo celic in izvesti obremenitvene teste news.mit.edu. Medtem druge skupine še naprej razvijajo koncept aluminij-žveplo: januarja 2024 so raziskovalci na Kitajskem poročali o polnilni Al-S bateriji, ki lahko deluje pri 85 °C (tik pod vreliščem vode, še lažje za vzdrževanje) z odlično življenjsko dobo – več kot 1.400 ciklov z le 15 % izgube kapacitete in možnostjo hitrega polnjenja pri tej temperaturi nature.com. Znižanje delovne temperature pod 100 °C pomeni, da bi za vzdrževanje baterije zadostovalo preprosto ogrevanje z vročo vodo, kar »močno poenostavi« toplotno upravljanje in odpira vrata širši uporabi nature.com. Spodnja črta: Aluminij-žveplove baterije bi lahko postale prelomnica za shranjevanje energije v omrežju in morda za določenev vozilih, z dostavo izjemno poceni, ognjevarnih baterij, ki uporabljajo na Zemlji obilno prisoten aluminij (najbolj razširjena kovina) in žveplo (najcenejša nekovina) news.mit.edu.

Vrste baterij na osnovi žvepla

Več baterijskih tehnologij uporablja katode iz žvepla v kombinaciji z različnimi anodami:

Litij-žveplove (Li-S) baterije: Litij-žveplo je ena najbolj preučenih “post-litijevih” kemij zaradi svojega izjemno visokega energetskega potenciala. Li-S celica lahko teoretično shrani do 5x več energije na težo kot litij-ionska celica, saj je žveplo zelo lahko in se lahko vsak atom žvepla veže z več atomi litija. V praksi so Li-S baterije že pokazale energijske gostote okoli 400–500 Wh/kg (približno dvakrat več kot Li-ion) v laboratorijih businessaviation.aero, apricum-group.com. Privlačne so tudi zato, ker so zelo poceni in okolju prijazne – žveplo je skoraj zastonj in ga je v izobilju, Li-S celice pa ne vsebujejo kobalta ali niklja. Vendar pa je Ahilova peta Li-S baterij njihova življenjska doba in stabilnost. Tradicionalni Li-S prototipi so trpeli zaradi “učinka polisulfidnega šatla”: vmesne žveplove spojine (polisulfidi) se med cikliranjem raztopijo v elektrolitu in migrirajo do litijeve anode, kar povzroča samopraznjenje, korozijo in hitro izgubo kapacitete anl.gov. Prav tako doživljajo pomembno “dihanje” (spremembe volumna) – žveplo se med polnjenjem/praznjenjem močno razteza in krči, kar lahko poškoduje strukturo celice reuters.com. Zaradi teh težav so prve Li-S baterije odpovedale že po nekaj deset ciklih. Dobra novica je, da najnovejši preboji odpravljajo te težave. Raziskovalci so razvili nanostrukturirane ogljikove katode in dodatke elektrolitom, ki ujamejo polisulfide in podaljšajo življenjsko dobo nature.com. Januarja 2023 je Argonne National Lab predstavil Li-S celico s posebno porozno “redoks-aktivno” vmesno plastjo, ki je skoraj popolnoma odpravila problem šatla, kar je omogočilo, da je baterija zdržala več kot 700 ciklov ob ohranjanju visoke kapacitete anl.gov. “Prejšnje [žveplove] baterije so le zavirale šatl, a so žrtvovale energijo. Naša plast in zavira šatl ter poveča kapaciteto,” je pojasnil kemik Guiliang Xu iz Argonna anl.gov. To nakazuje, da je mogoče Li-S baterije narediti hkrati visokoenergijske in dolgotrajne. Pravzaprav se podjetja zdaj tekmujejo v njihovi komercializaciji: Lyten, kalifornijski startup, je razvil litij-žveplovo celico, ojačano z lastniškimi 3D grafenskimi materiali, in cilja na nišne trge, kot so droni, letalstvo in obramba v letih 2024–2025 lyten.com. Lyten trdi, da so njihove Li-S baterije 40 % lažje od današnjih litij-ionskih (in 60 % lažje od baterij na osnovi železovega fosfata), hkrati pa cenejše pri večji proizvodnji zaradi izločitve niklja, kobalta in drugih dragih materialov lyten.com. Drugo podjetje, Theion (Nemčija), razvija kristalinične žveplove katode in je nedavno poročalo o Li-S celicah z 3× večjo energijsko gostoto kot Li-ion, pri le tretjini stroškov, in potencialno tretjino emisij pri proizvodnji reuters.com. Theionov izvršni direktor Ulrich Ehmes je dejal, da bi lahko bile njihove baterije – ki se izognejo težavam s korozijo z uporabo stabilne oblike žvepla in vnaprej razširjene zasnove – v električnih vozilih “pred koncem desetletja”, če bo razvoj potekal po načrtih reuters.com. Skratka, litij-žveplove baterije so tik pred prehodom iz laboratorija na trg in obetajo izjemno lahke, visokoenergijske baterijske sklope za aplikacije, kjer šteje vsak kilogram (električna letala, električna vozila z velikim dosegom, vesolje).
Natrij-žveplove (Na-S) baterije: Natrij in žveplo se morda zdita nenavadna kombinacija (natrij je izjemno reaktiven, prve Na-S baterije pa so delovale vroče pri 300 °C), vendar ima ta kemija dolgo tradicijo pri shranjevanju energije v omrežju. Visokotemperaturne Na-S baterije se že desetletja uporabljajo za shranjevanje energije v elektroenergetskih sistemih (predvsem NGK na Japonskem) – delujejo z raztaljenim natrijem in žveplom, ločenima s trdno keramično elektrolitsko membrano, kar omogoča dobro učinkovitost in dolgo življenjsko dobo za stacionarno shranjevanje. Vendar pa je potreba po vzdrževanju temperature okoli 300 °C omejila širšo uporabo. V zadnjem času pa je veliko navdušenja nad natrij-žveplovimi baterijami pri sobni temperaturi, ki bi lahko ponudile poceni in varno alternativo za shranjevanje v velikem obsegu. Konec leta 2022 je ekipa na Univerzi v Sydneyju objavila “poceni baterijo s štirikrat večjo kapaciteto kot litij-ionska” z novo zasnovo Na-S baterije pri sobni temperaturi sydney.edu.au. Z uporabo porozne ogljikove elektrode in enostavne toplotne obdelave (pirolize) za ustvarjanje bolj reaktivne oblike žvepla so dosegli izjemno visoko kapaciteto in izredno dolgo življenjsko dobo pri sobni temperaturi, s čimer so premagali prejšnjo “počasno” zmogljivost Na-S baterij sydney.edu.au. Vodilni raziskovalec dr. Shenlong Zhao je povedal, da ima ta natrij-žveplova baterija “potencial za drastično znižanje stroškov ob štirikrat večji kapaciteti shranjevanja. To je pomemben preboj za razvoj obnovljivih virov energije…” sydney.edu.au. Natrij in žveplo sta namreč še bolj razširjena in cenejša kot litij, zato bi lahko uspešna Na-S baterija pomenila velik napredek za shranjevanje energije v omrežju – omogočila bi velike baterije za vetrne/sončne elektrarne z minimalnimi stroški. Čeprav Na-S celice ne dosegajo Li-ionskih za potrebe kompaktnih električnih vozil (natrij je težji, te celice pa so trenutno večjega formata), bi lahko postale ključen del čiste energetske infrastrukture, saj ponujajo varno in poceni shranjevanje za čas, ko sonce ne sije ali veter ne piha sydney.edu.au. Raziskave za izboljšanje Na-S baterij pri sobni temperaturi za komercializacijo potekajo po vsem svetu (Kitajska, Avstralija, Evropa).
Druge baterije na osnovi žvepla: Poleg Li-S in Na-S so raziskovalci eksperimentirali s katodami iz žvepla v kombinaciji z drugimi kovinami, kot sta magnezij ali kalcij, ter celo z združevanjem žvepla z aluminijem (kot je bilo omenjeno prej). Te multivalentne kovinsko-žveplove baterije (kjer kovinski ion nosi več kot en naboj, npr. Al³⁺ ali Mg²⁺) so privlačne iz istega razloga kot aluminij ali žveplo posebej – zaradi razširjenosti in visoke kapacitete – vendar se soočajo s še zahtevnejšo kemijo in so večinoma v zgodnjih fazah raziskav advanced.onlinelibrary.wiley.com. Na primer, magnezijevo-žveplove celice imajo težave z združljivostjo elektrolita in počasno kinetiko. Trdninske žveplove baterije so še ena najsodobnejša različica: z uporabo trdnega elektrolita (pogosto sulfida ali polimera) znanstveniki želijo izdelati Li-S celice, ki so varnejše (brez vnetljive tekočine) in popolnoma preprečijo pojav polisulfidnega šatla onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA aktivno razvija trdninsko litij-žveplovo baterijo (projekt SABERS) z žveplovo-selenovo katodo in novim trdnim elektrolitom, ki dosega energijske gostote ~500 Wh/kg, primerne za električno letalstvo businessaviation.aero. Privlačnost žvepla – lahkega, razširjenega, zmogljivega – ga je postavila v središče številnih futurističnih konceptov baterij.

Ko smo obravnavali področje aluminijevih in žveplovih vrst baterij, lahko zdaj primerjamo, kako se te tehnologije primerjajo z vodilnimi litij-ionskimi in katere edinstvene prednosti ponujajo.

Ključne prednosti in koristi v primerjavi z litij-ionskimi

Tako aluminijeve kot žveplove baterije obetajo pomembne prednosti glede stroškov, trajnosti in zmogljivosti, če se bo njihov razvoj uspešno nadaljeval. Tukaj so ključne koristi:

🌎 Obilni, poceni materiali: Aluminij in žveplo sta poceni in na voljo v izobilju skoraj povsod. Aluminij je najbolj razširjena kovina v zemeljski skorji, žveplo pa je pogost stranski produkt rafiniranja. To pomeni, da so lahko stroški materiala bistveno nižji . Poročilo Science navaja, da so surovine za aluminij-žveplovo baterijo lahko 85 % cenejše kot za litij-ionske baterije news.mit.edu . Podjetje Theion (startup za žveplove baterije) prav tako trdi, da bodo njihove celice stale le tretjino cene Li-ionskih celic reuters.com . Po Sadowayevih besedah so te baterije »etično pridobljene, poceni [in] učinkovite« news.mit.edu – izogibajo se dragim kovinam, ki so pogosto povezane s problematičnim rudarjenjem. Uporaba obilnih virov pomeni tudi manj ozkih grl v dobavi; ne bomo se soočali s pomanjkanjem litija ali kobalta, če se bodo aluminij-žveplove baterije uveljavile.
🔥 Izboljšana varnost (ne vnetljive): Številne nove aluminij/žveplove baterije so zasnovane tako, da so veliko varnejše. Namesto vnetljivih organskih elektrolitov lahko uporabljajo anorganske taline ali trdne elektrolite , ki se ne vnamejo news.mit.edu . Aluminij-ionske in aluminij-žveplove celice, ki so jih predstavili na Stanfordu in MIT, »se ne vnamejo, tudi če jih prevrtate« ali delujejo pri visokih temperaturah news.stanford.edu , news.mit.edu . Prav tako lahko žveplove katode v kombinaciji s trdnimi ali gelnimi elektroliti bolje preprečujejo toplotni pobeg kot običajne Li-ionske baterije. Phinergyjev aluminij-zračni sistem je po naravi negorljiv in »varen, nevnetljiv« v uporabi evreporter.com . Večja varnost ne ščiti le uporabnikov, temveč tudi poenostavi transport in proizvodnjo (ni potrebe po dragih hladilnih ali protipožarnih sistemih v baterijskih paketih).
⚡ Visoka energijska gostota in majhna teža: Obe kemiji ponujata potencial za večje shranjevanje energije na težo kot današnje baterije. Litij-žveplove baterije so na primer v prototipih dosegle približno 500 Wh/kg businessaviation.aero – približno dvakrat več kot najboljše Li-ionske, kar omogoča veliko lažje baterijske sklope. Podjetje Lyten poroča, da bodo njihove Li-S celice do 40 % lažje od Li-ionskih sklopov za enako količino energije lyten.com. Theion cilja na 3-krat večjo energijsko gostoto kot Li-ion reuters.com. Za električna vozila in letala bi to lahko pomenilo daljši doseg ali večjo nosilnost pri enaki teži baterije. Aluminij-zrak je izjemen po energijski gostoti (uporabljen je bil za rekordno 1.100-miljsko vožnjo električnega vozila z enim aluminij-zračnim “rezervoarjem” pred nekaj leti), čeprav je potrebno ponovno polnjenje. Tudi aluminij-ionske baterije, čeprav imajo nižjo teoretično energijo kot Li-S, lahko izstopajo po gostoti moči – Stanfordova celica se je lahko popolnoma napolnila v eni minuti news.stanford.edu, kar nakazuje na baterije, ki se polnijo tako hitro kot točenje goriva. Skratka, te tehnologije bi lahko zagotovile bodisi veliko več energije (za dolgotrajno uporabo) ali veliko hitrejše praznjenje/polnjenje kot Li-ion, ali oboje.
🔋 Potencial za dolgo življenjsko dobo ciklov: Če so pravilno zasnovane, lahko aluminijaste in žveplove baterije zdržijo tako dolgo ali dlje kot Li-ionske. Aluminijaste kovinske anode ne tvorijo enakih dendritov kot litij (zlasti ob pravih elektrolitih) news.mit.edu, zato so lahko zelo trpežne. Stanfordova Al-ion celica je preživela več kot 7.500 ciklov (za velikostni razred več kot Li-ion) news.stanford.edu. Žveplove celice so imele v preteklosti slabo življenjsko dobo, vendar nove zasnove (vmesni sloji, trdno stanje itd.) dosegajo stotine ali tisoče ciklov z minimalno izgubo anl.gov, nature.com. Za stacionarno shranjevanje je ključna baterija, ki zanesljivo deluje vsak dan več kot 10 let, in razvijalci teh kemij so zelo osredotočeni na stabilnost.
♻️ Okoljske in etične prednosti: Ker uporabljajo lahko dostopne materiale, te baterije preprečujejo okoljsko škodo, povezano z rudarjenjem in predelavo redkih kovin, kot so kobalt, nikelj in litij. Prav tako se zmanjša vgrajeni ogljični odtis baterije. Theion ocenjuje, da bodo njihove žveplove baterijske celice izpustile le eno tretjino CO₂ pri proizvodnji v primerjavi z Li-ionskimi celicami reuters.com. Žveplo je pogosto odpadni produkt (milijoni ton so na zalogi), zato je njegova uporaba v baterijah v bistvu recikliranje industrijskih odpadkov. Tudi aluminij je zelo primeren za recikliranje – obstoječa svetovna infrastruktura za recikliranje bi lahko omogočila enostavno pridobivanje aluminija iz izrabljenih baterij. Z etičnega vidika uporaba žvepla in aluminija obide vprašanja otroškega dela in človekovih pravic, ki pestijo rudarjenje kobalta. Vsi ti dejavniki pomenijo, da bi lahko baterije nove generacije bile bolj trajnostne in družbeno odgovorne skozi celoten življenjski cikel.
💡 Hitro polnjenje in visoka moč: Nekatere aluminij/žveplove zasnove izkazujejo izjemno hitro polnjenje. Omenili smo 60-sekundno polnjenje v laboratorijskih testih news.stanford.edu. Poleg tega so aluminij-žveplove celice v laboratoriju delovale pri zelo visokih hitrostih polnjenja (npr. polnjenje pri 1C ali več pri povišani temperaturi z odlično zadržanostjo) nature.com. Aluminij-zrak baterije je mogoče “napolniti” v trenutku z zamenjavo aluminija. Te lastnosti bi lahko odpravile eno največjih pritožb potrošnikov glede električnih vozil in naprav – dolge čase polnjenja – ter zagotovile visoko moč, ko je to potrebno (predstavljajte si električno orodje ali električna vozila z aluminijastimi baterijami, ki zagotavljajo močan sunek brez padca napetosti).

Pomembno je poudariti, da vse te prednosti ne veljajo enako za vse različice (na primer, aluminij-zrak nudi veliko energije, a ga ni mogoče električno ponovno napolniti; aluminij-ionske se hitro polnijo, a imajo nižjo napetost; Li-S je zelo lahek, a trenutno zmerne življenjske dobe). Vendar pa je splošna obljuba aluminijastih in žveplovih baterij, da lahko drastično znižamo stroške in odvisnost od redkih materialov, hkrati pa zagotovimo enako ali boljšo zmogljivost na ključnih področjih varnosti, energije in moči.

Izzivi in tehnične ovire

Če so aluminijaste in žveplove baterije tako dobre, zakaj jih še ni povsod? Resnica je, da se te tehnologije soočajo z velikimi izzivi, ki jih raziskovalci in inženirji še vedno poskušajo premagati:

Polisulfidni šatl in degradacija katode (težave z žveplom): Pri litij-žveplovih in drugih baterijah s katodo iz žvepla je zloglasni polisulfidni šatl postal velika ovira. Med cikliranjem baterije žveplo prehaja skozi vmesne faze, ki se lahko raztopijo v elektrolitu in preidejo do anode, kar povzroča samopraznjenje, izgubo aktivnega materiala in celo škodljive reakcije z anodo anl.gov. To vodi do hitrega upada kapacitete. Poleg tega imajo žveplove katode tendenco, da se močno napihnejo in skrčijo (do ~80 % spremembe prostornine), ko se pretvarjajo v litijev sulfid in nazaj reuters.com. To “dihanje” lahko sčasoma zdrobi katodo ali jo odlepi od tokovnih kolektorjev. Čeprav so nove strategije (kot so dodajanje zaščitnih vmesnih plasti anl.gov, uporaba nanostrukturiranih ogljikovih nosilcev ali trdnih elektrolitov) omilile te težave, ostaja zagotovitev, da bo žveplova baterija zdržala stotine ciklov v realnih pogojih, ključni izziv.
Dendriti in težave s prevleko (kovinske anode): Anode iz aluminijeve kovine, kot tudi druge kovinske anode, lahko med polnjenjem tvorijo dendrite (tanke, prevodne nitke), ki lahko povzročijo kratki stik v celici. Pravzaprav je bil glavni razlog, da aluminijeve baterije dolgo niso uspele, ta, da nihče ni mogel zanesljivo ponavljati nanašanja/odstranjevanja aluminija – pogosto se je tvorila “mahasta” obloga ali pa se je deaktivirala z nastankom površinskega oksida. Ionske tekočine in taljeni solni elektroliti so močno pripomogli k “ukrotitvi” te težave (ena ekipa je poročala, da njihova aluminijeva baterija s taljeno soljo “nikoli ni izgubila celic zaradi kratkega stika z dendriti” pri hitrih polnilnih testih news.mit.edu). Če pa bi uporabili bolj konvencionalen elektrolit, bi bili dendriti ali stranske reakcije z aluminijevim oksidnim premazom lahko problematični. Podobno, če se kot anoda v žveplovih baterijah uporablja litijeva kovina (kar je pogosto v Li-S zasnovah), se pojavijo dendriti litija in varnostne težave, še posebej pri uporabi tekočih elektrolitov. Raziskovalci pogosto kombinirajo Li-S z zaščitnimi membranami ali trdnimi zasnovami, da preprečijo nastanek litijevih dendritov.
Nizka obratovalna napetost in energijska učinkovitost (aluminij-ionske baterije): Aluminij-ionske baterije, zlasti tiste z interkalacijo (npr. grafitne katode), imajo običajno nižjo napetost celice kot Li-ionske. Znana Stanfordova aluminij-ionska celica je proizvedla približno 2,0 volta news.stanford.edu, medtem ko je litij-ionska celica ~3,7 V nominalno. To je deloma posledica kemije interkalacije Al³⁺ in omejitev elektrolita. Nižja napetost pomeni, da potrebujete več celic v seriji (kar poveča kompleksnost in povzroči nekaj energijskih izgub), da dosežete želeno napetost baterijskega paketa. Obstaja tudi vprašanje multivalentnih ionov, kot je Al³⁺, ki imajo počasno kinetiko v trdnih snoveh – premikanje iona z nabojem +3 je težje kot premikanje iona z nabojem +1, kot je Li⁺, zato je doseganje visoke moči lahko zahtevno, razen če se temperatura zviša ali uporabijo posebni elektroliti nature.com. Nekatere aluminijaste baterije dobro delujejo le pri povišanih temperaturah (60–100 °C), kar bi lahko otežilo njihovo uporabo v potrošniški elektroniki (nihče si ne želi stalno vroče baterije v telefonu!). Dobra novica: inovacije v elektrolitih (na primer z dodajanjem določenih soli ali uporabo novih mešanic) izboljšujejo prevodnost aluminij-ionskih baterij pri nižjih temperaturah nature.com.
Zahteve glede temperature: Kot omenjeno, več aluminijastih in natrijevih zasnov uporablja elektrolite iz staljenih soli, ki jih je treba ohranjati tople. Na primer, aluminij-žveplova baterija MIT optimalno deluje pri približno 110 °C news.mit.edu, celo izboljšana različica pa deluje pri 85 °C nature.com. Čeprav to po industrijskih standardih ni zelo vroče, to pomeni, da bi baterijski paket potreboval izolacijo in morda majhen grelec, da ostane v ustreznem območju. To je v redu za stacionarno shranjevanje (kjer lahko baterija v velikosti hladilnika ima toplotno upravljanje), vendar je izziv za prenosne naprave in električna vozila, razen če se toplota lahko samodejno vzdržuje (Sadowayeva celica se dejansko sama segreva med cikli, da ohranja temperaturo news.mit.edu). Delovanje pri visokih temperaturah zahteva tudi robustno tesnjenje in varnostne ukrepe (čeprav je prednost, da ni nevarnosti požara). Raziskovalci si prizadevajo znižati obratovalne temperature in celo raziskujejo kemije pri sobni temperaturi za sisteme na osnovi Al in Na nature.com.
Polnilna infrastruktura in »polnjenje goriva« (Al-Air): Edinstvena značilnost aluminij-zrak (in podobnih kovinsko-zračnih sistemov) je, da jih ni mogoče ponovno napolniti s priklopom na polnilnik. Treba je zamenjati ali reciklirati aluminijevo anodo, ko se iztroši. To zahteva vzpostavitev celotne infrastrukture za menjavo aluminijastih plošč ali kartuš, zbiranje izrabljenih in recikliranje aluminija (verjetno s postopkom taljenja, ki ga poganja elektrika, kar dejansko pomeni »ponovno polnjenje« aluminija). Indian Oil in Phinergy aktivno delujeta na tem ekosistemu evreporter.com, vendar gre za drugačen pristop kot bencinske ali polnilne postaje. Brez široke podpore bi aluminij-zrak lahko ostal nišna rešitev. Poleg tega je treba poskrbeti za stranski produkt aluminij-zrak (aluminijev hidroksid) – čeprav ga je mogoče reciklirati v nov aluminij ali druge izdelke.
Povečanje proizvodnje in integracija: Litij-ionska tehnologija ima 30-letno prednost z množično proizvodnjo, optimiziranimi dobavnimi verigami in dobro usposobljeno delovno silo. Vsaka nova baterijska kemija se sooča z izzivom prehoda iz laboratorija ali pilotske faze na gigatovarniško raven. Aluminijeve in žveplove baterije lahko zahtevajo nove proizvodne procese (na primer ravnanje z na vlago občutljivimi ionskimi tekočinami ali trdnimi elektroliti, ali nove zasnove celic, kot so Theionovi zloženi elektrodni sklopi). Povečanje proizvodnje brez napak in po nizki ceni ni enostavno. Obstaja tudi vprašanje integracije – ali lahko te nove baterije preprosto vgradimo v obstoječe naprave ali vozila, ali pa so potrebne nove zasnove? Različni napetostni profili, oblike ali pogoji delovanja lahko pomenijo, da je treba na novo zasnovati vse, od sistemov za upravljanje baterij do zasnove šasije v avtomobilih. Ti prehodni stroški in negotovosti lahko upočasnijo sprejetje.
Trenutno stanje (tehnološka pripravljenost): Čeprav sta leti 2024 in 2025 prinesli velike preboje (kot bomo izpostavili v nadaljevanju), je veliko aluminijevih in žveplovih baterijskih tehnologij še vedno v prototipni ali zgodnji komercialni fazi. Nobena še ni dosegla množične uporabe, kot jo uživa litij-ionska tehnologija. Na primer, litij-žveplove celice šele zdaj vstopajo na omejene trge, kot so droni in sateliti, kjer je njihova kratka življenjska doba sprejemljiva ali obvladljiva. Aluminij-žveplo in aluminij-ionske baterije so v fazi demonstracije in povečanja proizvodnje; noben električni avtomobil ali omrežje še nima velike v popolni uporabi. To pomeni, da še vedno obstaja tveganje za nepredvidene težave pri dejanski uporabi (spomnite se, kako so se pri Li-ion na začetku pojavljali incidenti s termičnim pobegom). Potrebni bodo čas, naložbe in verjetno nekaj iteracij, preden bodo te tehnologije tako zanesljive kot obstoječe. Kot skeptična opomba: tudi litij-ionske baterije se vsako leto izboljšujejo – z novimi kemijami, kot sta litij-železo-fosfat (LFP) in litij-kovina v trdnem stanju – zato morajo aluminijeve in žveplove baterije ne le delovati, ampak tudi konkurirati vse boljšim obstoječim rešitvam.

Povzetek: aluminijeve in žveplove baterije imajo ogromen potencial, vendar predstavljajo tudi edinstvene izzive. Raziskovalci odkrito priznavajo, da je potrebno še veliko dela; kot je zapisala ena ekipa leta 2022, kljub napredku “so Al–S baterije zgodovinsko trpele zaradi slabe zmogljivosti pri hitrem polnjenju in stabilnosti ciklov”, kar zahteva nadaljnje inovacije pri elektrolitih in elektrodah nature.com. Premagovanje teh izzivov je prav to, na kar se trenutno osredotoča veliko laboratorijev in zagonskih podjetij.

Kdo vodi napad? Glavni akterji v razvoju

To vznemirljivo področje združuje akademske laboratorije, zagonska podjetja in industrijske velikane, ki premikajo meje mogočega. Tukaj je nekaj pomembnih akterjev in njihovih dejavnosti:

Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT je središče inovativnih raziskav baterij. Skupina profesorja Donalda Sadowaya na MIT je vodila razvoj koncepta aluminij-žveplove baterije. Po objavi prelomnih rezultatov v Nature leta 2022 je Sadoway soustanovil Avanti za komercializacijo te tehnologije news.mit.edu. Cilj podjetja Avanti je povečati proizvodnjo aluminij-žveplovih celic za stacionarno shranjevanje in širše. Sadoway je znan tudi kot soustanovitelj podjetja Ambri, ki komercializira baterije iz tekoče kovine (z uporabo drugih kemij, kot sta kalcij in antimona). Ambri cilja na shranjevanje v elektroenergetskih omrežjih in naj bi leta 2024 začel uvajati sisteme youtube.com. Med podjetjema Ambri in Avanti bi lahko Sadowayeve inovacije pokrile velike baterije za energetske sisteme do manjših baterij za stavbe ali polnilne postaje za električna vozila news.mit.edu. Vpliv MIT se tu ne konča – njihovi raziskovalci raziskujejo tudi litij-žveplove projekte, in inštitut pogosto sodeluje z nacionalnimi laboratoriji ter podjetji pri najsodobnejši baterijski tehnologiji.
Univerza Stanford in SLAC: Stanford je zgodaj opozoril nase z aluminij-ionskimi baterijami (prototip hitrega polnjenja Al-ion iz leta 2015 news.stanford.edu). To delo, ki ga je vodil prof. Hongjie Dai, je pokazalo, da lahko preprosta grafitna katoda omogoči polnilno aluminijasto baterijo. Stanford še naprej izvaja raziskave baterij; na primer, SLAC (Stanford Linear Accelerator Lab) je preučeval nove katode za aluminijaste baterije, kot so kovinski sulfidi nature.com, in raziskoval medfazno kemijo za izboljšanje cikličnosti. Čeprav odkritje Stanforda iz leta 2015 še ni preraslo v komercialni izdelek, je pokazalo izvedljivost in je bilo citirano v številnih kasnejših študijah. Prav tako je poudarilo Stanfordovo načelo odprtih raziskav, ki vodijo do sprejetja v industriji (nekateri alumni s področja baterij so se pridružili zagonskim podjetjem ali ustanovili lastna v kalifornijski Silicijevi dolini).
Graphene Manufacturing Group (GMG) in Univerza Queensland: V Avstraliji GMG (v sodelovanju z Univerzo Queensland) razvija grafensko aluminij-ionsko baterijo. Poročali so o impresivni zmogljivosti prototipov v obliki kovancev – z izjemno hitrim polnjenjem in dolgo življenjsko dobo – pri čemer uporabljajo grafen (oblika ogljika) kot katodni material v aluminij-ionski konfiguraciji batteriesnews.com. GMG si prizadeva svojo tehnologijo razširiti na vrečaste celice, primerne za potrošniško elektroniko ali električna vozila, in konec leta 2022 so imeli razvojni program ter pilotno proizvodno linijo v pripravi graphenemg.com. Njihov pristop poudarja sinergijo nanomaterialov (grafen) z novimi kemijami, kot je aluminij-ionska, za doseganje boljših rezultatov.
Phinergy in Indian Oil (IOC): Phinergy je izraelski startup, ki je že več kot desetletje pionir na področju aluminij-zrak baterij. Leta 2014 so postali znani, ko so z aluminij-zrak baterijo poganjali demo avtomobil 1.100 milj, nato pa so se osredotočili na dejanske izdelke za rezervno napajanje in podaljšanje dosega električnih vozil. Phinergy je sodeloval z Indian Oil Corporation in ustanovil skupno podjetje (IOC Phinergy), ki aluminij-zrak tehnologijo prinaša na indijski trg – kar je lahko izjemno pomembno za državo, ki išče alternative nafti in želi izkoristiti svojo aluminijsko industrijo. V začetku leta 2023 je IOC Phinergy predstavil prvo indijsko vozilo na aluminij-zrak pogon in vzpostavljal infrastrukturo za proizvodnjo in recikliranje plošč alcircle.com. Tudi indijska vlada je pokazala zanimanje, saj bi aluminij-zrak lahko zmanjšal odvisnost od uvoženega litija. Phinergyjeva tehnologija je že komercialno uporabljena za rezervno napajanje telekomunikacijskih stolpov (kjer zamenjuje dizelske generatorje z emisijsko-nevtralnimi aluminij-zrak sistemi) evreporter.com, sodelujejo pa tudi z avtomobilskimi proizvajalci, kot je Mahindra, pri integraciji v vozila (npr. testne flote električnih rikš in avtobusov z aluminij-zrak za podaljšan doseg) evreporter.com. Napredek Phinergyja je ključen, saj so eni prvih, ki so aluminijasto baterijo prenesli iz laboratorija v praktično uporabo na terenu.
Lyten: Lyten je zagonsko podjetje iz Silicijeve doline (s sedežem v San Joseju, Kalifornija), ki je bilo več let v prikritem načinu delovanja in je razvijalo litij-žveplovo baterijo, izboljšano z lastniškim 3D grafenskim materialom. Nedavno so se pojavili z veliko novico: oktobra 2024 je Lyten napovedal načrte za izgradnjo prvega gigatovarne litij-žveplovih baterij na svetu v Nevadi, z več kot milijardo dolarjev investicije lyten.com l. Objekt naj bi do leta 2027 proizvedel 10 GWh Li-S baterij letno lyten.com. Ta drzna poteza kaže na zaupanje, da je njihova tehnologija skoraj pripravljena za množično proizvodnjo. Prvi ciljni trgi podjetja Lyten niso osebna električna vozila, temveč mikromobilnost, letalstvo, droni in obramba v letih 2024–2025 lyten.com – področja, kjer visoka energijska gostota Li-S prinaša odločilno prednost in kjer je nekoliko krajša življenjska doba sprejemljiva. Podjetje poudarja majhno težo in odsotnost konfliktnih mineralov svojih baterij, saj njihove celice uporabljajo anode iz litijeve kovine in katode iz žveplo-ogljikove kompozicije, s čimer se izognejo niklju, kobaltu itd. lyten.com. Izvršni direktor Lytena, Dan Cook, je dejal, da je “litij-žveplo preskok v baterijski tehnologiji, ki prinaša baterijo z visoko energijsko gostoto in majhno težo, izdelano iz lokalno razpoložljivih materialov” lyten.com. Od leta 2023 so celo sami proizvajali pilotske baterijske celice za testiranje in izpopolnjevanje proizvodnega procesa lyten.com. Če bo Lytenova gigatovarna uspešna, bi to lahko bil prelomni trenutek – prve komercialne Li-S baterije, izdelane v velikem obsegu, morda za uporabo v naslednji generaciji električnih letal ali električnih tovornjakov za dolge razdalje, kjer šteje vsak kilogram.
Theion: Theion je zagonsko podjetje s sedežem v Berlinu, Nemčija, ki se osredotoča na litij-žveplove baterije z dodatkom – uporabljajo kristalinični žveplo in posebne elektrode za izboljšanje stabilnosti. Marca 2025 je Theion zbral 15 milijonov evrov v naložbenem krogu serije A za povečanje proizvodnje svojih baterijskih celic reuters.com. Theion trdi, da lahko njihove celice potrojijo energijsko gostoto litij-ionskih baterij, hkrati pa znižajo stroške na eno tretjino, kot je bilo omenjeno prej reuters.com. Po poročanju so rešili ključne težave s predhodnim razširjanjem katode, da bi omogočili raztezanje žvepla, in z ohranjanjem žvepla v kristalinični obliki, ki je manj reaktivna z elektroliti reuters.com. Izvršni direktor Ulrich Ehmes je izjavil, da bi se njihova tehnologija lahko uporabljala v EV-jih, “letečih taksijih” ali shranjevanju energije, in bi lahko bila v avtomobilih že proti koncu 2020-ih reuters.com. Pristop podjetja Theion je pritegnil pozornost, ker se ne zanaša na eksotične materiale – poudarjajo, da njihove baterije “manj dihajo” in ne korodirajo kot prejšnje Li-S. Sredstva jim bodo pomagala razviti večje “pouch” celice in preseči prototipe v obliki kovancev reuters.com. Nemško zanimanje za žveplove baterije se prav tako ujema z evropskimi prizadevanji za domače, trajnostne baterijske tehnologije.
Argonne National Laboratory & U.S. DOE: Na področju javnih raziskav je Argonne (skupaj z drugimi laboratoriji ameriškega ministrstva za energijo, kot sta Oak Ridge in Pacific Northwest) dejavno raziskoval žveplove baterije. Omenili smo dosežek Argonna pri zasnovi vmesnega sloja za Li-S celice anl.gov. Prav tako raziskujejo trdninske žveplove baterije v partnerstvu z NASA za letalstvo. Urad za tehnologije vozil DOE je financiral več projektov na področju Li-S, Mg-S in celo Li-Air ter Al-Air, saj prepoznava strateški pomen kemij naslednje generacije. Nacionalni laboratoriji pogosto sodelujejo z univerzami (npr. Argonne je sodeloval z ekipo, v kateri je bila tudi Univerza Illinois, pri žveplovih vmesnih slojih) in delijo ugotovitve, na katerih lahko gradijo zagonska podjetja. Na primer, veliko razumevanja vedenja polisulfidov in napredne karakterizacije (z uporabo orodij, kot je Argonnov Advanced Photon Source za rentgensko analizo baterij anl.gov) izhaja iz teh laboratorijev.
Drugi pomembni: Univerze, kot je Monash University (Avstralija), so leta 2020 prišle v ospredje z Li-S baterijo, ki bi naj domnevno napajala pametni telefon pet dni in je pokazala odlično stabilnost zaradi novega veziva in zasnove elektrode advancedsciencenews.com. Monash je od takrat delal tudi na hitro polnilnih Li-S baterijah, z namenom uporabe v električnem letalstvu monash.edu. V Združenem kraljestvu je zdaj že neobstoječi Oxis Energy bil pionir na področju Li-S; pred zaprtjem leta 2021 je Oxis razvil Li-S celice, ki so se približevale 400 Wh/kg, in sodeloval s proizvajalci letal. Njihova intelektualna lastnina je bila pridobljena s strani drugih subjektov, kar morda vpliva na nove projekte. Kitajska akademska sfera in industrija sta izjemno aktivni – institucije, kot so Kitajska akademija znanosti, Univerza za tehnologijo Wuhan (soavtorica Sadowayevega članka o Al-S news.mit.edu), in podjetja, kot je CATL, raziskujejo kemijo žvepla in aluminija, čeprav so podrobnosti včasih skrite. Tudi na Teslinem Battery Day leta 2020 so namignili na zanimanje za žveplo (Elon Musk je šaljivo omenil, da Tesla raziskuje “litij in žveplo” brez dodatnih pojasnil, morda za dolgoročne projekte). Nazadnje, NASA in Boeing preučujeta Li-S za letala: NASA-in projekt SABERS ima večplastno žveplovo baterijo, ki je dosegla 500 Wh/kg, kar bi lahko omogočilo električna letala ali napredne drone businessaviation.aero.

Jasno je, da globalni ekosistem inovatorjev potiska aluminijeve in žveplove baterije naprej – od zagnanih zagonskih podjetij do uglednih nacionalnih laboratorijev. V naslednjih nekaj letih (2025–2030) bomo verjetno videli, da bodo nekateri od teh naporov obrodili sadove v obliki resničnih izdelkov in pilotnih projektov.

Preboji in nedavne inovacije (2024–2025)

Obdobje 2024 do 2025 je bilo še posebej razburljivo za razvoj aluminijevih in žveplovih baterij, s številnimi pomembnimi preboji:

Jan 2024 – Aluminij-žveplo pri 85 °C (Nature Communications): Raziskovalci so predstavili novo aluminij-žveplovo baterijo, ki deluje pri 85 °C z kvaternim elektrolitom iz staljene soli, objavljeno v Nature Communications nature.com. Ta baterija je pokazala sposobnost hitrega polnjenja in presenetljivo dolgo življenjsko dobo: ohranila je 85,4 % svoje kapacitete po 1.400 ciklih pri 1C hitrosti polnjenja nature.com. Pomembno je, da je 85 °C velik napredek v primerjavi s prejšnjimi baterijami s staljeno soljo, ki so potrebovale 110–180 °C nature.com. Ekipa je to dosegla s formulacijo posebne mešanice soli (alkalni kloroaluminati) z nizko tališčem, kar je tudi omogočilo hitro gibanje aluminijevih ionov nature.com. Uporabili so tudi dušikovo dopirano porozno ogljično katodo, ki je pomagala, da so reakcije žvepla potekale hitro nature.com. Ta rezultat je pomemben, ker nakazuje na praktične, nizkocenovne baterije za omrežje, ki bi lahko delovale z enostavnim ogrevanjem (celo samo s toplo vodo kot virom toplote, kot omenjajo avtorji nature.com) in omogočale hitro polnjenje brez degradacije. To je korak k temu, da bi bil MIT-jev koncept Al-S baterije bolj prijazen uporabnikom in mobilen.
Okt 2024 – Lyten napoveduje Li-S gigatovarno: Lytenova napoved gigatovarne za litij-žveplove baterije v Nevadi je bila ena glavnih novic v industriji konec leta 2024 lyten.com. Predvidena je kot prva gigatovarna na svetu, namenjena izključno Li-S celicam, s ciljem proizvodnje 10 GWh/leto do leta 2027 lyten.com. Še bolj presenetljivo je bilo Lytenovo sporočilo, da njihove Li-S baterije že vstopajo na izbrane trge v 2024 in 2025 – konkretno imajo stranke v mikromobilnosti (e-kolesa, skuterji), letalstvu (morda sateliti ali visokoleteči droni), dronih in obrambnih aplikacijah, ki uporabljajo njihove baterije lyten.com. To nakazuje, da je Lyten prešel iz laboratorijskih prototipov v pilotsko proizvodnjo in dejansko uporabo na terenu v teh nišah. Odločitev za gradnjo velike tovarne kaže na zaupanje v možnost povečanja proizvodnje in uresničevanje povpraševanja po tej tehnologiji. To je tudi velik signal za baterijsko industrijo in vlagatelje, da je litij-žveplo blizu pripravljenosti za množično uporabo. Posledično bomo morda kmalu videli izdelke z oznako “Li-S baterija znotraj”, vsaj v vrhunskih ali specializiranih aplikacijah.
Mar 2025 – Theion zbira sredstva, trdi 3× večjo energijo: Marca 2025 je Reuters poročal, da je Theion zbral 15 milijonov evrov za povečanje proizvodnje svoje žveplove baterije, ki »shrani več energije, a stane veliko manj kot običajne litij-ionske baterije.« reuters.com Theion je javno razkril nekaj svoje tehnične strategije in dejal, da imajo njihove celice trikrat večjo energijsko gostoto kot Li-ion, pri tretjinskih stroških in tretjinskih emisijah CO₂, kot je bilo omenjeno prej reuters.com. Obravnavali so glavne pomisleke z izjavo, da se izognejo hitri koroziji z uporabo kristaliničnega žvepla in rešujejo raztezanje s predhodno razširitvijo strukture katode reuters.com. Sredstva jim bodo pomagala preiti iz gumbastih celic na večje »pouch« celice (primerne za električna vozila ali letala) reuters.com. Ta razvoj je opomnik, da ne le ena, ampak več zagonskih podjetij (Lyten, Theion, druga) dosega mejnike in privablja naložbe, kar povečuje verjetnost, da bo vsaj enemu uspelo komercialno. To nekoliko spominja na zgodnje dni litij-ionskih baterij, ko je bilo v tekmi več podjetij in držav – tukaj imamo ameriške in evropske akterje, ki hkrati razvijajo žveplove baterije.
2023 – 2024 – Reševanje življenjske uganke žveplovega cikla: Skozi leto 2023 in v letu 2024 je več raziskovalnih skupin objavilo napredek pri podaljševanju življenjske dobe žveplovih baterij. Ena izmed pomembnih novosti je bila študija pod vodstvom Argonna (objavljena avgusta 2022 v Nature Communications), ki je pokazala, da lahko redoks-aktivna vmesna plast dramatično izboljša stabilnost Li-S baterij anl.gov. Do začetka leta 2023 so poročali, da ta pristop omogoča celicam, da ohranjajo visoko kapaciteto skozi stotine ciklov anl.gov, s čimer se Li-S baterije vse bolj približujejo uporabnosti v vsakdanjem življenju. Sredi leta 2024 je druga ekipa poročala o zložljivi, fleksibilni Li-S bateriji, ki uporablja posebno katodo iz železovega sulfida in lahko celo prenese rezanje brez odpovedi acs.org – inovativna rešitev za nosljivo ali prilagodljivo elektroniko na osnovi Li-S. Ti postopni napredki so pomembni: rešujejo drobne, a ključne težave (kot so upravljanje polisulfidov, mehanske obremenitve itd.) eno za drugo. Vsaka izboljšava približa Li-S celice izpolnjevanju strogih zahtev komercialne elektronike in vozil.
2024 – Raziskave in razvoj aluminijastih baterij v porastu: Na področju aluminija so konec leta 2024 potekale zanimive raziskave. Znanstveniki so raziskovali nove katodne materiale za aluminij-ionske baterije, kot je kobaltov sulfid, da bi dosegli večjo kapaciteto in boljše razumevanje mehanizmov shranjevanja naboja nature.com. Narašča tudi število raziskav o “multivalentnih” baterijah (vključno z Al, Mg, Zn), ki si pogosto delijo izzive in preboje – na primer izboljšane elektrolite, ki pomagajo enemu sistemu, je včasih mogoče uporabiti tudi pri drugem advanced.onlinelibrary.wiley.com. Vidimo tudi, da države, kot je Indija, vlagajo v tehnologijo aluminijastih baterij, ne le prek Phinergyjeve aluminij-zračne baterije, temveč tudi v akademske raziskave za razvoj polnilne aluminijaste baterije, primerne za indijske razmere (vlada financira projekte v okviru nacionalne misije za shranjevanje energije). Čeprav te novice še niso dosegle svetovne javnosti, prispevajo k zagonu, ki se gradi okoli aluminijastih baterij po vsem svetu.
Politika in tržni signali: Prebojne zgodbe niso le tehnične. V letih 2024–2025 opažamo močne tržne signale, ki podpirajo te nove baterije. Ameriški zakon o zmanjšanju inflacije (IRA) in druge politike spodbujajo domače dobavne verige baterij – kar koristi kemijam, ki jih je mogoče proizvajati z lokalno pridobljenimi materiali, kot sta žveplo (ZDA proizvedejo veliko žvepla iz rafiniranja nafte) in aluminij. Lytenova gigatovarna v Nevadi in zanimanje ameriškega obrambnega ministrstva za lahke Li-S baterije za vojake ali satelite so posledica teh spodbud lyten.com. V Evropi je zaradi prizadevanj za trajnost baterija brez kobalta in niklja zelo privlačna, zato EU financira projekte, kot je Theion in druge. Tudi na Kitajskem, kjer prevladuje proizvodnja litij-ionskih baterij, obstajajo državno podprti programi za “baterije naslednje generacije” (na primer, CATL naj bi razvijal natrij-ionsko + žveplovo hibridno baterijo, ki naj bi bila predstavljena okoli 2023/24 za stacionarno shranjevanje). Vsi ti trendi kažejo, da je čas za aluminijaste in žveplove baterije dozorel – svet išče rešitve, tehnologija pa dohiteva te potrebe.

V bistvu sta zadnji dve leti aluminijaste in žveplove baterije iz nišne laboratorijske zanimivosti spremenili v resne tekmece za prihodnost shranjevanja energije. Kot je ustrezno dejal eden od znanstvenikov: “Smo korak bližje temu, da bo ta tehnologija v našem vsakdanjem življenju.” anl.gov Takšen napredek korak za korakom se dogaja prav zdaj, naslednji korak pa bo širša komercializacija in povečanje obsega teh inovacij.

Potencialne uporabe in vpliv na čisto energijo ter električna vozila

Vzpon aluminijastih in žveplovih baterij bi lahko vplival na širok spekter sektorjev. Tukaj je nekaj najbolj obetavnih uporab in njihovih posledic:

stacionarnega shranjevanja energije

domačo in sosesko rabo

news.mit.edu

energetska podjetja

“znatno zmanjšala stroške prehoda v razogljičeno gospodarstvo”

sydney.edu.au

večji delež obnovljivih virov energije

🚗 Električna vozila (EV): Lažje in energijsko gostejše baterije so sveti gral za električna vozila in celo električno letalstvo. Litij-žveplove baterije so tu še posebej privlačne. Paket Li-S bi lahko drastično podaljšal doseg vožnje električnega vozila brez povečanja teže – ali pa omogočil enak doseg z veliko lažjo baterijo, kar izboljša učinkovitost. Na primer, če danes električno vozilo potrebuje 600 kg Li-ionsko baterijo za doseg 300 milj, bi Li-S baterija z 2× energijsko gostoto to lahko dosegla s približno 300 kg, kar bistveno zmanjša težo vozila. To izboljša pospešek, vodljivost in zmanjša porabo energije na miljo. Prav tako bi lahko naredilo električne tovornjake in avtobuse bolj izvedljive, saj bi sprostilo težo za tovor. Podjetja kot Oxis Energy (preden je zaprlo) in Sion Power so sodelovala z letalskimi in avtomobilskimi partnerji pri razvoju Li-S prototipnih paketov za letala z dolgim dosegom in električna vozila. Pravzaprav so Sion Power-jeve zgodnejše Li-S celice poganjale visokoletečega psevdosatelita (brezpilotno solarno letalo), ki je v 2010-ih letih podiral rekorde v trajanju leta. Nedavno sta NASA in Airbus preučevala Li-S kot eno redkih možnosti za dosego potrebnih 500 Wh/kg za praktična električna potniška letala businessaviation.aero – uspeh njunega projekta SABERS nakazuje na regionalna električna letala na obzorju, ki uporabljajo žveplove baterije. Električni leteči taksiji in droni bi prav tako imeli koristi; Theion je izrecno omenil leteča vozila kot cilj reuters.com. Poleg Li-S imajo celo aluminij-zračne baterije vlogo v električnih vozilih: lahko bi služile kot modul za podaljšanje dosega, ki ga aktivirate za dolga potovanja. Predstavljajte si električno vozilo z majhno Li-ionsko baterijo za vsakodnevno vožnjo in aluminij-zračno “pomožno baterijo”, ki jo napolnite (zamenjate aluminij) le, ko se odpravljate na 1.000 km dolgo potovanje. Takšne hibridne baterijske arhitekture so v razmisleku v projektih Indian Oil/Phinergy in drugih. Omeniti velja, da običajna električna vozila ne bodo čez noč prešla na povsem novo kemijo – varnost, življenjska doba in hitro polnjenje morajo biti dokazani – a v poznih 2020-ih je verjetno, da bodo vrhunski modeli ali specializirana vozila opremljeni z baterijami nove generacije. Če se to zgodi, bi lahko zmogljivost električnih vozil dvignili na novo raven (dosegi 500+ milj, zelo hitro polnjenje, lažja vozila) in zmanjšali odvisnost od kritičnih mineralov, s čimer bi omogočili širšo uporabo električnih vozil brez ozkih grl pri virih.

advancedsciencenews.com

nišne naprave

fleksibilna

⚡ Infrastruktura za hitro polnjenje: Ena manj očitna, a pomembna uporaba je uporaba teh novih baterij za omogočanje hitrega polnjenja električnih vozil in stabilizacijo omrežja. Kot je poudaril profesor Sadoway, če veliko električnih vozil poskuša polniti hkrati (na primer več avtomobilov na avtocestnem počivališču), povpraševanje po energiji preseže zmogljivosti električnega omrežja news.mit.edu. Namesto nadgradnje električnih vodov je pametneje namestiti baterijski medpomnilnik na polnilnih postajah – baterija se počasi polni iz omrežja in nato hitro odda energijo avtomobilom, ko je to potrebno. Pri takih medpomnilniških baterijah sta najpomembnejša cena in varnost, teža pa je manj pomembna. To aluminij-žveplove ali natrij-žveplove baterije naredi idealne kandidate. Nahajajo se na lokaciji, shranjujejo energijo poceni, se ne vnamejo in lahko hitro oddajo energijo. Sadoway je posebej omenil, da bi Al-S sistemi lahko »odpravili potrebo po nameščanju dragih novih električnih vodov« za skupine hitrih polnilnikov news.mit.edu. V bistvu lahko te baterije delujejo kot blažilci sunkov za električno omrežje, saj absorbirajo presežno energijo in jo sproščajo po potrebi, bodisi za sunke pri polnjenju električnih vozil ali za uravnavanje nihanj pri obnovljivih virih.
🏭 Industrijsko in komercialno rezervno napajanje: Tako kot telekomunikacijski stolpi uporabljajo aluminij-zrak za rezervno napajanje, bi lahko tudi druge industrije in komercialni objekti uporabljali aluminijaste ali žveplove baterije za zagotavljanje zanesljivosti in zmanjšanje odvisnosti od dizelskih agregatov. Podatkovni centri, na primer, potrebujejo baterije, ki so varne, imajo dolgo življenjsko dobo v stanju pripravljenosti in so stroškovno učinkovite v velikem obsegu – predstavljamo si lahko prostore s natrij-žveplovimi baterijami, ki nadomeščajo sklade litij-ionskih ali svinčeno-kislinskih baterij, ki se trenutno uporabljajo za UPS (neprekinjeno napajanje). Na oddaljenih ali izvenomrežnih lokacijah so poceni baterije, ki jih ni treba pogosto menjati, izjemno dragocene (manj vzdrževalnih obiskov). Aluminij-žveplove baterije, ki naj bi bile zelo poceni na kWh, bi lahko omogočile mikroomrežja v podeželskih ali otoških skupnostih, v kombinaciji s sončno/ vetrno energijo, za zagotavljanje 24/7 napajanja brez visokih stroškov.
🚀 Vesolje in obramba: Visoka zmogljivost teh baterij je seveda privlačna za vesoljske in obrambne aplikacije. Kot omenjeno, so sateliti in visokoleteči droni (psevdo-sateliti) uspešno uporabljali Li-S zaradi majhne teže in dobre zmogljivosti pri nizkih temperaturah (vesoljske baterije pogosto delujejo v mrazu). Ameriška vojska je zainteresirana za lažje baterije za vojake (da bi zmanjšali breme nošenja več kilogramov Li-ionskih baterij) – žveplova baterija bi lahko to breme močno zmanjšala. Poleg tega, ker žveplove baterije ne vsebujejo spojin, ki sproščajo kisik (v nasprotju z Li-ionskimi, ki lahko sprostijo O₂ ob toplotnem pobegu), so lahko varnejše v zaprtih okoljih, kot so podmornice ali vesoljska plovila. Aluminij-zrak bi lahko služil kot podvodni vir energije za dolgotrajne brezpilotne podmornice, kjer je oskrba z aluminijem izvedljiva. Obrambni sektor pogosto deluje kot zgodnji uporabnik najnaprednejših tehnologij, ki kasneje pridejo v širšo uporabo, zato lahko njihove naložbe v aluminijaste in žveplove baterije pospešijo razvoj. Pravzaprav Lytenovi začetni projekti v letih 2024–25 z vesoljskim, dronskim in obrambnim trgom nakazujejo, da obrambne pogodbe pomagajo dokazovati tehnologijo lyten.com pred širšo potrošniško uporabo.

Pri vseh teh aplikacijah je splošni učinek omogočanje, da prehod na čisto energijo poteka hitreje in dlje. Z znižanjem stroškov baterij in osvoboditvijo od omejitev dobavne verige litij-ionskih baterij bi aluminijaste in žveplove baterije lahko omogočile, da si električna vozila privošči več ljudi (ključnega pomena za razogljičenje prometa), naredile obnovljivo energijo bolj zanesljivo in razširjeno (ključnega pomena za razogljičenje elektrike) ter celo ustvarile nove možnosti, kot je električni let. Prav tako prinašajo okoljske koristi v uporabi: npr. zamenjava dizelskih rezervnih generatorjev z aluminij-zrak ali natrij-žveplovimi baterijami zmanjša lokalno onesnaženje zraka in emisije CO₂. Če bo tehnologija izpolnila obljube, bi svet lahko videl cenejše električne avtomobile, bolj odporna čista omrežja in zmanjšanje rudarjenja redkih kovin – pozitiven povratni učinek tako za gospodarstvo kot okolje.

Gospodarske in okoljske posledice

Z gospodarskega vidika bi lahko aluminijeve in žveplove baterije povzročile prelom v najboljšem možnem smislu: z zniževanjem stroškov shranjevanja energije in diverzifikacijo dobavne verige. Baterija predstavlja pomemben delež stroškov električnega vozila ali sistema za obnovljivo energijo, zato cenejše baterije pomenijo cenejše izdelke in hitrejše sprejemanje. Analitiki so ugotovili, da materiali, kot sta aluminij in žveplo, stanejo le majhen delček cene litija, niklja ali kobalta. Na primer, ena ocena je postavila stroške materialov aluminij-žveplo celic na le ~15 % ekvivalentne litij-ionske celice news.mit.edu. Če bi se ti prihranki prenesli v proizvodnjo, bi lahko cene baterij (na kWh) padle precej pod trenutno učno krivuljo litij-ionskih baterij. Poceni shranjevanje bi lahko nato spodbudilo gospodarsko rast z omogočanjem novih poslovnih modelov (kot so večje sončne elektrarne, skupnostni projekti shranjevanja itd.) in z zniževanjem stroškov energije za potrošnike (predstavljajte si, da vsak popoldan napolnite domačo baterijo s sončno energijo in nikoli ne plačate višje tarife omrežja).

Obstaja tudi geopolitični vidik: Proizvodnja litij-ionskih baterij je danes močno koncentrirana (Kitajska prevladuje v proizvodnji celic, države kot DRC pa dobavljajo ključne minerale). Aluminij pa se tali po vsem svetu (recikliranje pa zagotavlja tudi lokalni vir), žveplo pa je vseprisotno. Številne države, ki nimajo virov litija, imajo močno razvito aluminijsko industrijo (npr. Indija, kot smo videli pri IOC Phinergy). Tako bi aluminijeve baterije lahko omogočile več državam, da zgradijo domačo industrijo baterij brez zanašanja na uvožen litij ali kobalt. Ta diverzifikacija bi lahko zmanjšala globalna tveganja v dobavni verigi in naredila prehod na električno mobilnost ter obnovljivo energijo bolj odporen na pomanjkanje ali politično nestabilnost. V Nevadi je načrtovana tovarna Lyten primer – uporablja žveplo iz ZDA in baterije sestavlja doma lyten.com, kar je v skladu s politikami za vračanje proizvodnje baterij v domovino in ustvarjanje lokalnih delovnih mest (napovedujejo 1.000 delovnih mest ob polnem obsegu v tej eni tovarni lyten.com).

Na okoljskem področju te baterije ponujajo več prednosti:

Nižji ogljični odtis: Proizvodnja baterij je energetsko intenzivna, vendar je mogoče žveplove in aluminijeve baterije izdelati z manj zahtevnimi postopki. Rafiniranje kobalta in niklja je še posebej obremenjujoče za okolje. Z izločitvijo teh materialov lahko proizvajalci zmanjšajo emisije CO₂ na kWh baterije. Theion je za svoje žveplove baterije v primerjavi z Li-ion trdil za 2/3 manjši ogljični odtis reuters.com. Poleg tega je mogoče žveplo pridobiti kot odpadni produkt (praktično brez dodatnih ogljičnih stroškov za pridobivanje), recikliranje aluminija pa porabi le ~5 % energije v primerjavi s primarno proizvodnjo aluminija – zato bi uporaba recikliranega aluminija v baterijah močno zmanjšala njihovo vgrajeno energijo.
Recikliranje in konec življenjske dobe: Aluminij je že zdaj ena najbolj recikliranih surovin (pomislite na aluminijaste pločevinke). Obstaja infrastruktura za taljenje odpadnega aluminija in njegovo ponovno uporabo. Če bi aluminij-kovinske baterije postale pogoste, si lahko predstavljamo, da bi se izrabljene aluminijaste anode rutinsko zbirale in reciklirale z visoko učinkovitostjo – krožno gospodarstvo za baterijsko kovino. Žveplo bi bilo v kontekstu baterij morda težje neposredno reciklirati iz celic (še posebej, če je vezano v spojine), vendar je poceni in nestrupeno, zato tudi če konča na odlagališču, ne predstavlja tako velikega okoljskega tveganja kot na primer svinec ali kadmij v starejših baterijah. Raziskovalci bi lahko našli načine za ponovno pridobivanje žvepla ali pretvorbo odpadnega žvepla iz baterij v uporabne kemikalije (žveplo se na primer uporablja tudi v gnojilih). Odsotnost težkih kovin v teh baterijah pomeni manj strupenega e-odpadka če so nepravilno odvržene, in idealno tudi lažje ravnanje v reciklažnih obratih.
Zmanjšan vpliv rudarjenja: Rudarjenje litija, kobalta in niklja ima pomembne okoljske in družbene vplive – od porabe vode pri pridobivanju litijeve slanice, do uničevanja habitatov in onesnaževanja okoli rudnikov niklja, do vprašanj otroškega dela pri nekaterih rudnikih kobalta. Z zmanjšanjem ali odpravo potrebe po teh materialih bi aluminijaste in žveplove baterije lahko omilile te pritiske. Aluminij ni brez vpliva (rudarjenje boksita in taljenje aluminija imata svoje težave, kot sta rdeče blato in visoka poraba elektrike), vendar so ti procesi v mnogih državah dobro regulirani in tehnologija napreduje (npr. inertne anode za taljenje aluminija za zmanjšanje emisij). In ponovno, recikliranje aluminija močno zmanjša potrebo po novem rudarjenju. Uporaba žvepla je predvsem predelava obstoječega stranskega produkta – to bi lahko dejansko rešilo problem (velike zaloge žvepla) namesto da bi ga ustvarilo.
Varnost in zdravje: Požari baterij so bili skrb pri litij-ionskih baterijah, saj pri gorenju Li-ion nastajajo strupeni hlapi in lahko povzročijo težko pogasljive požare (kot so pokazali nekateri incidenti z električnimi vozili). Negorljive baterije pomenijo manj požarov, kar je varnostna prednost za družbo. Prav tako pomeni varnejše ravnanje z baterijami pri transportu in v odpadnih dvoriščih. Na primer, odpisana električna vozila z Li-ion baterijami predstavljajo požarno tveganje, če so poškodovana; električno vozilo z aluminij-žveplovo baterijo bi bilo morda veliko varnejše za razstavljanje. Prav tako v potrošniških napravah – manj naprav, ki eksplodirajo ali zagorijo (pomislite na razvpite požare baterij v telefonih), je koristno za javno zdravje in zaupanje v baterijsko tehnologijo.
Čista rezervna energija: Na mestih, ki trenutno temeljijo na dizelskih generatorjih za rezervno ali oddaljeno napajanje (otoki, zavetišča v sili, telekomunikacijski stolpi), bi zamenjava teh z aluminij-zračnimi ali natrij-žveplovimi baterijami odpravila izgorevanje dizelskega goriva, kar pomeni brez emisij toplogrednih plinov, brez delcev in brez hrupa. To je neposredna okoljska in kakovostna izboljšava življenja. Na primer, telekomunikacijski stolpi na aluminij-zrak v Indiji bodo proizvajali nič lokalnih emisij, medtem ko dizelski generatorji prispevajo k onesnaževanju zraka in emisijam ogljika.

Skratka, aluminijaste in žveplove baterije imajo potencial, da demokratizirajo shranjevanje energije – ga naredijo dovolj dostopnega in okolju prijaznega, da lahko baterije postavimo povsod, kjer jih potrebujemo za čisto energetsko prihodnost. Ne bodo čudežna rešitev (verjetno bomo uporabljali mešanico baterijskih tehnologij), vendar lahko njihov prihod na trg zniža stroške in prisili vse proizvajalce baterij k večji trajnosti.

Seveda gospodarski uspeh teh baterij ni zagotovljen; dokazati morajo, da jih je mogoče poceni proizvajati in da zanesljivo delujejo v velikem obsegu. Toda nedavne investicije in uspehi prototipov so zelo spodbudni. Če jim uspe, nagrada ne bodo le cenejši električni avtomobili ali boljše naprave – temveč tudi pomembno zmanjšanje okoljskega vpliva naše uporabe baterij in spodbuda globalnim prizadevanjem za razogljičenje.

Zaključek: Svetla prihodnost, napajana s pogostimi elementi

Aluminijeve in žveplove baterije, ki so bile nekoč obravnavane kot zunanje možnosti, hitro napredujejo proti komercialni realnosti. Te baterije ponazarjajo privlačno idejo: uporabiti preproste, razširjene sestavine za reševanje zapletenih energetskih izzivov. V zadnjih nekaj letih so napredki v kemiji in znanosti o materialih to idejo močno približali uresničitvi. Zdaj imamo prototipne aluminij-žveplove celice, ki se lahko hitro napolnijo v nekaj minutah in zdržijo tisoče ciklov nature.com, litij-žveplove baterije, ki dosegajo energijske gostote, o katerih smo pred desetletjem le sanjali reuters.com, in celo aluminij-zračne sisteme, ki že v resničnem svetu zagotavljajo čisto energijo evreporter.com.

Prehod od odvisnosti od redkih kovin in dragih uvozov k baterijam iz »cenovno ugodnih« elementov, kot sta Al in S, bi lahko preoblikoval baterijsko industrijo podobno, kot je silicij preoblikoval industrijo elektronike – omogočil bi množično širitev in znižanje stroškov. Kot je Sadoway šaljivo pripomnil, imajo te nove baterije »vse, kar bi si želeli od baterije: poceni elektrode, dobro varnost, hitro polnjenje, prilagodljivost in dolgo življenjsko dobo« news.stanford.edu. Še vedno je treba odpraviti nekatere pomanjkljivosti, a smer je jasna.

V prihodnjih letih lahko pričakujemo novice o pilotnih projektih (morda sončna elektrarna v Kaliforniji, ki uporablja MIT-ove aluminij-žveplove celice, ali dron z Lytenovo Li-S baterijo, ki podira rekorde vzdržljivosti). Ko se bo proizvodnja povečala, bodo stroški še padli, morebitne tehnične pomanjkljivosti – naj bo to življenjska doba ali delovna temperatura – pa bodo verjetno rešene z intenzivnimi raziskavami, ki trenutno potekajo po vsem svetu.

Za širšo javnost se bo vpliv verjetno pokazal na subtilne, a pomembne načine: električno vozilo, ki je cenejše in ima daljši doseg, pametni telefon, ki ostane napolnjen cel vikend, soseska, ki ima elektriko iz baterije, ko neurje izklopi omrežje – in vse to z materiali, ki so pogosti kot aluminijasta folija in vrtno gnojilo (žveplo). Svetovno povpraševanje po baterijah le še raste, aluminijeve in žveplove tehnologije pa zagotavljajo, da bomo to povpraševanje lahko zadovoljili na trajnosten način.

Kot je optimistično izjavil eden od znanstvenikov, ki sodeluje pri razvoju teh baterij, »Ti rezultati dokazujejo … ogromen vpliv na razvoj [baterij]. Smo korak bližje temu, da bo ta tehnologija del našega vsakdana.« anl.gov Resnično, prihodnost, v kateri bodo naša življenja poganjala aluminij in žveplo – dva izmed najbolj neopaznih elementov na Zemlji – je zdaj jasno na obzorju. Revolucija na področju shranjevanja energije je v teku, temelji pa na osnovah splošne kemije, inovativnem inženirstvu ter nujni potrebi po čistejši in cenejši energetski prihodnosti.

Viri: Informacije in citati v tem poročilu so povzeti iz nedavnih verodostojnih virov, vključno s strokovno pregledanimi študijami, univerzitetnimi sporočili za javnost, novicami iz industrije in poročili Reutersa. Ključne reference vključujejo MIT News o aluminij-žveplovi bateriji news.mit.edu, preboje Argonne National Lab na področju litij-žvepla anl.gov, Reutersovo poročanje o razvoju podjetij Theion in Lyten reuters.com, lyten.com, ter intervjuje z vodilnimi v industriji (npr. direktor Phinergy o prednostih aluminij-zrak tehnologije evreporter.com). Ti in drugi navedeni viri v besedilu zagotavljajo podrobne dokaze za podane trditve.