Відступіть, літію: алюмінієві та сірчані батареї спричиняють енергетичну революцію

• У січні 2024 року в дослідженні Nature Communications було повідомлено про алюміній-сірчану батарею, що працює при 85 °C з розплавленим хлоралумінатним електролітом, яка зберегла 85,4% своєї ємності після 1 400 циклів при 1C.
• Прототип алюміній-іонної батареї Стенфорда 2015 року використовував алюмінієвий анод і графітовий катод, забезпечуючи ультра-швидку зарядку (близько однієї хвилини) і понад 7 500 циклів при приблизно 2 В.
• У 2014 році компанія Phinergy продемонструвала автомобіль, який міг проїхати близько 1 100 миль на алюміній-повітряних батареях.
• Алюміній-повітряні батареї пропонують приблизно втричі більшу енергетичну щільність на одиницю ваги, ніж літій-іонні батареї.
• У січні 2023 року Аргоннська національна лабораторія продемонструвала Li–S елементи з редокс-активним прошарком, який майже повністю усунув ефект шатлу і забезпечив понад 700 циклів.
• Літій-сірчані елементи продемонстрували енергетичну щільність близько 400–500 Вт·год/кг у лабораторіях, а проєкт NASA SABERS ставить за мету близько 500 Вт·год/кг для електричної авіації.
• У серпні 2022 року Дональд Садовей з MIT представив алюміній-сірчану батарею з алюмінієвим анодом і сірчаним катодом, використовуючи розплавлені соляні електроліти для забезпечення низької вартості та безпечної експлуатації.
• У жовтні 2024 року компанія Lyten оголосила про плани побудувати першу у світі гігафабрику літій-сірчаних батарей у Неваді, з метою досягти 10 ГВт·год/рік до 2027 року.
• У березні 2025 року Theion залучила 15 мільйонів євро для масштабування кристалічно-сірчаних Li–S елементів, заявляючи про потрійну енергетичну щільність порівняно з літій-іонними, третину вартості та третину викидів CO₂, з планами перейти від монетних елементів до більших пакетних елементів.
• У 2023 році Phinergy та Indian Oil Corporation представили перший в Індії автомобіль на алюміній-повітряних батареях, що свідчить про потенціал впровадження на ринку.

Уявіть собі батареї, виготовлені зі звичайної алюмінієвої фольги та сірчаного порошку, які живлять усе — від будинків до електромобілів — за частку сучасної вартості. Батареї на основі алюмінію та сірки стають перспективною альтернативою традиційним літій-іонним елементам, пропонуючи привабливий потенціал дешевшого, безпечнішого та більш сталого зберігання енергії. У цьому огляді ми розглянемо, що таке алюмінієві та сірчані батареї, як вони працюють, які типи розробляються (включаючи захопливу комбінацію алюмінію та сірки), їхні переваги й виклики, ключових гравців, що рухають прориви, і як останні інновації 2024–2025 років можуть змінити чисту енергетику та електротранспорт. (Усі джерела наведені для достовірності.)

Що таке алюмінієві та сірчані батареї?

Алюмінієві батареї та сірчані батареї — це дві широкі групи акумуляторних технологій нового покоління, які мають на меті подолати обмеження сучасних літій-іонних батарей. Простіше кажучи, вони використовують алюміній або сірку (або обидва) у своїх електрохімічних реакціях замість того, щоб покладатися лише на літієві хімічні сполуки. Як і будь-яка батарея, ці мають три основні частини — позитивний електрод (катод), негативний електрод (анод) і електроліт між ними, який переносить іони під час заряджання та розряджання. Ключова відмінність — у хімії: в алюмінієвих батареях метал алюміній часто служить анодом (а в деяких конструкціях забезпечує іони, що переносять заряд), тоді як у сірчаних батареях елемент сірка зазвичай служить катодним матеріалом, що приймає іони від металевого анода (наприклад, літію або натрію).

Чому досліджувати алюміній або сірку? Обидва елементи надзвичайно поширені й дешеві порівняно з літієм і кобальтом, які використовуються в літій-іонних елементах. Алюміній — найпоширеніший метал у земній корі й має дуже високу теоретичну ємність для зберігання заряду (кожен атом Al може віддавати 3 електрони, що дає йому ємність заряду 2,98 А·год на грам, що є величезним) nature.com. Сірка — один із найдешевших неметалічних елементів (часто є побічним продуктом нафтопереробки) і може зв’язувати два іони літію на атом, що забезпечує дуже високий потенціал енергозбереження nature.com, anl.gov. У принципі, батареї на основі алюмінію або сірки можуть зберігати більше енергії при тій самій вазі й коштувати значно дешевше, ніж сучасні літій-іонні акумулятори. Як пояснюють дослідники з Аргонської національної лабораторії, “Сірка надзвичайно поширена й економічно вигідна, а також може зберігати більше енергії, ніж традиційні іонні батареї.” anl.gov. Так само алюміній дешевий, широко доступний і щільно накопичує заряд як за вагою, так і за об’ємом nature.com. Ще одним важливим мотиватором є безпека й сталість. Літій-іонні батареї використовують легкозаймисті органічні рідкі електроліти й часто потребують рідкісних металів (таких як кобальт, нікель, літій), що створює проблеми з ланцюгом постачання та етикою. Натомість багато конструкцій алюмінієвих і сірчаних батарей можуть використовувати незаймисті електроліти (наприклад, іонні рідини або розплавлені солі) й уникати конфліктних мінералів. Наприклад, нещодавня конструкція літій-сірчаної батареї використовує лише “доступні місцеві матеріали, усуваючи потребу в добутих мінералах, таких як нікель, кобальт, марганець і графіт”, за даними стартапу Lyten lyten.com. Професор MIT Дональд Садовей — провідний інноватор у сфері батарей — цілеспрямовано шукає “дешеві, поширені на Землі” інгредієнти, щоб винайти щось “набагато краще за літій-іон”, зупинившись на алюмінії для анода й сірці для катода у своїй новітній хімії батарей news.mit.edu. Коротко кажучи, алюмінієві й сірчані батареї — це спроба створити дешевшу, безпечнішу й етичнішу батарею, використовуючи елементи, які є у великій кількості (без глобального дефіциту), недорогі й мають високу ємність. Тепер розглянемо, як ці батареї працюють на практиці та які типи перебувають у розробці.

Як вони працюють? (Основи батарей простою мовою)

Алюмінієві батареї зазвичай використовують алюмінієвий метал як анод. Коли батарея розряджається, алюміній віддає електрони (утворюючи електричний струм) і алюмінієві іони (Al³⁺), які проходять через електроліт до катода. Залежно від типу батареї, ці алюмінієві іони або інтеркалюються (вставляються) у матеріал катода, або реагують з ним. Наприклад, у алюмінієво-іонній батареї іони Al³⁺ переміщуються у шаруватий катод (наприклад, графіт або металевий оксид) і повертаються назад під час заряджання news.stanford.edu. В алюмінієво-сірчаній батареї алюмінієві іони реагують із сіркою на катоді, утворюючи алюміній-сірчані сполуки під час розряду, а при заряджанні повертаються до алюмінієвого металу nature.com. А в алюмінієво-повітряних батареях алюмінієвий метал реагує з киснем із повітря на спеціальному катоді, утворюючи оксид або гідроксид алюмінію – реакція, яка виділяє електроенергію, поки анод з алюмінію не буде витрачений.

Сірчані батареї зазвичай мають сірчаний катод у парі з металевим анодом (найчастіше літій, але також можуть бути натрій, магній чи алюміній). Візьмемо для прикладу літій-сірчану (Li-S): під час розряду атоми літію на аноді віддають електрони і стають іонами літію (Li⁺), які проходять через електроліт до сірчаного катода. Сірка (молекули S₈) там перетворюється на літій сульфід (Li₂S), приєднуючи іони літію – по суті, сірка поглинає іони літію і електрони, утворюючи нові сполуки, зберігаючи енергію в хімічних зв’язках. Під час заряджання цей процес відбувається у зворотному напрямку: іони літію залишають сірку і повертаються до анода, а сірка відновлюється. Оскільки кожен атом сірки може приєднати два атоми літію, а кільця S₈ можуть розпадатися на різні молекули літій-полісульфідів, Li-S батареї теоретично можуть зберігати у 3–5 разів більше енергії на одиницю ваги, ніж літій-іонні. Натрій-сірчані (Na-S) батареї працюють аналогічно з іонами натрію і зазвичай утворюють натрій-полісульфіди або натрій-сульфід.

У всіх цих батареях іони переміщуються туди й назад через електроліт, а електрони течуть через зовнішнє коло – так батарея заряджається і розряджається. Електроліт може бути рідким, гелевим або твердим, і дозволяє іонам рухатися, але змушує електрони йти через коло (що й живить ваш пристрій). Важливо, що деякі з цих нових хімічних систем потребують спеціальних електролітів для роботи. Алюмінієво-іонні батареї часто використовують іонні рідини або розплавлені солі як електроліти, оскільки іони Al³⁺ сильно взаємодіють із типовими розчинниками. Насправді перші акумуляторні алюмінієві батареї стали можливими лише тоді, коли дослідники знайшли іонну рідину кімнатної температури (на основі хлор-алюмінатних солей), яка дозволяє іонам алюмінію ефективно входити і виходити з графітового катода news.stanford.edu. Аналогічно, літій-сірчані батареї часто використовують модифіковані рідкі або тверді електроліти, щоб запобігти проблемам, які ми розглянемо далі (наприклад, витік сірки в електроліт).

Підсумовуючи простими словами: алюмінієві батареї генерують енергію завдяки тому, що алюміній віддає кілька електронів з кожного атома (надзвичайно велика зарядова ємність на атом металу) і утворює зв’язки або з катодом-носієм, або з киснем/сіркою, тоді як сірчані батареї генерують енергію завдяки тому, що легкий і поширений елемент (сірка) захоплює іони металу та електрони у сполуки з високим вмістом енергії. Обидві конструкції дозволяють відійти від передачі лише одного іона літію, як у сучасних батареях, і потенційно забезпечують більшу потужність на один заряд. Далі розглянемо конкретні різновиди цих батарей, які зараз розробляються.

Типи батарей на основі алюмінію

Дослідники вивчають кілька типів батарей, які використовують алюміній по-різному:

• Акумуляторні алюмінієво-іонні батареї (Al-Ion): У цих батареях використовується алюмінієвий метал як анод і зазвичай графітовий катод зі спеціальним іонним рідким електролітом. Відомий ранній приклад був розроблений у Стенфордському університеті у 2015 році, де вчені продемонстрували прототип алюмінієво-іонної батареї з алюмінієвим анодом і графітовим катодом в іонній рідині. Вона показала надшвидку зарядку (маленьку комірку можна було зарядити приблизно за одну хвилину!) і надзвичайно довгий термін служби (понад 7 500 циклів зарядки без втрати ємності) news.stanford.edu. Стенфордська комірка також була дуже безпечною – дослідники могли просвердлити корпус батареї, і вона не загорялася, на відміну від літієвих елементів news.stanford.edu. Однак вона мала нижчу напругу (~2 вольти, приблизно половина напруги типової літій-іонної батареї) news.stanford.edu, тобто для досягнення корисної напруги потрібно більше елементів у послідовному з’єднанні. Ключова перевага: Al-Ion батареї обіцяють швидку зарядку, довгий термін служби та підвищену безпеку (без компонентів, схильних до займання), використовуючи дешеві матеріали (алюміній і вуглець) news.stanford.edu. Тривають дослідження для підвищення їх енергетичної щільності шляхом пошуку кращих катодів і електролітів для збільшення напруги та ємності news.stanford.edu. Декілька груп по всьому світу (від Стенфорда до китайських університетів news.mit.edu) розвивають алюмінієво-іонні технології. Наприклад, дослідники вивчають різні катодні матеріали (навіть металеві сульфіди nature.com), щоб ефективніше зберігати алюмінієві іони nature.com.
• Алюмінієво-повітряні батареї: Алюмінієво-повітряна — це первинна батарея (не перезаряджається електрикою, але потенційно може бути “заправлена” механічно), в якій алюміній реагує з киснем з повітря для генерації електроенергії. Ці елементи мають вражаючу енергетичну щільність, оскільки катодом виступає просто навколишнє повітря — це робить батарею надзвичайно легкою. Насправді, алюмінієво-повітряні батареї можуть мати приблизно в 3 рази більше енергії на одиницю ваги, ніж літій-іонні на системному рівні evreporter.com. Недолік у тому, що коли алюмінієвий анод окислюється до гідроксиду або оксиду алюмінію, елемент “вичерпано” і потрібен новий алюміній для продовження роботи. Це робить алюмінієво-повітряні батареї схожими на паливний елемент або подовжувач запасу ходу: ви замінюєте алюмінієву пластину (і переробляєте використану), а не підключаєте до зарядки. Такі компанії, як Phinergy в Ізраїлі, вже багато років займаються розробкою алюмінієво-повітряних систем. У партнерстві з Indian Oil Corporation вони тестують алюмінієво-повітряні батареї в електромобілях і стаціонарних резервних установках. У 2023 році вони продемонстрували невеликий електромобіль в Індії, який проїхав понад 500 км на алюмінієво-повітряних елементах до необхідності “заправки” алюмініємevreporter.com. Генеральний директор Phinergy Девід Маєр зазначає, що алюмінієво-повітряна технологія “безпечна, не горюча,” не потребує важкої зарядної інфраструктури і може бути “перезаряджена” (шляхом заміни алюмінію) “за кілька хвилин”, а не годин evreporter.com. Недолік — необхідність створення цілої ланцюжка постачання для масового виробництва та переробки алюмінієвих пластин. Проте ця технологія вже комерційно використовується в нішах: наприклад, алюмінієво-повітряні установки Phinergy застосовуються як резервне живлення для телекомунікаційних веж (замість дизельних генераторів) в Ізраїлі та Європі evreporter.com. Алюмінієво-повітряні батареї, можливо, не замінять безпосередньо акумулятор у вашому телефоні, але можуть служити подовжувачами запасу ходу для електромобілів або для довготривалого зберігання енергії — забезпечуючи величезний енергетичний резерв, який ви періодично замінюєте.
• Алюмінієво-сірчані батареї: Деякі дослідники поєднують алюміній та сірку в одній батареї – використовуючи алюміній як анод, а сірку як катод, з електролітом на основі розплавленої солі або іонної рідини. Такий гібридний підхід намагається використати найкращі властивості обох елементів: високу ємність анода алюмінію та високу ємність катода сірки, і все це з неймовірно дешевих матеріалів. У серпні 2022 року команда під керівництвом Дональда Садовея з MIT представила нову конструкцію алюмінієво-сірчаної батареї, яка одразу привернула увагу завдяки низькій вартості та продуктивності. Вона використовує розплавлені хлоралюмінатні солі як електроліт, який працює при помірній температурі (близько 110 °C, як гаряча чашка кави), щоб зберігати сіль у рідкому стані news.mit.edu. Підігрітий електроліт був розумним вибором: він не лише є незаймистим і недорогим, а й запобігав утворенню дендритів – тих самих металевих голок, які можуть спричинити коротке замикання батарей. Як зазначив Садовей, обрана сіль «фактично вивела з ладу ці неконтрольовані дендрити, а також дозволила дуже швидко заряджати» news.mit.edu. Його прототип алюмінієво-сірчаної батареї можна було зарядити менш ніж за хвилину без короткого замикання, і він працював сотні циклів з орієнтовною вартістю на одну комірку приблизно у шість разів меншою, ніж у порівнянних літій-іонних комірок news.mit.edu. Це величезне зниження вартості, що підтверджено незалежними аналітиками; вартість матеріалів для цих батарей може бути на 85% нижчою, ніж у літій-іонних, за даними журналу Science news.mit.edu. Мета – використовувати такі комірки для стаціонарного зберігання (наприклад, для зберігання сонячної енергії для використання вночі) і, можливо, для підтримки швидкої зарядки електромобілів. Розробку Садовея комерціалізує стартап під назвою Avanti, який планує масштабувати комірки та провести стрес-тести найближчим часом news.mit.edu. Тим часом інші групи просувають концепцію алюмінієво-сірчаних батарей далі: у січні 2024 року дослідники з Китаю повідомили про перезаряджувану Al-S батарею, яка може працювати при 85 °C (трохи нижче точки кипіння води, ще простіше підтримувати) з чудовим терміном служби – понад 1 400 циклів із втратою ємності лише 15%, і можливістю швидкої зарядки при цій температурі nature.com. Зниження робочої температури нижче 100 °C означає, що для підтримки батареї достатньо простого підігріву водою, що «значно спрощує» терморегуляцію і відкриває шлях до ширшого застосування nature.com. Висновок: Алюмінієво-сірчані батареї можуть стати проривом для зберігання енергії в мережі і, можливо, для деякиху транспортних засобах, забезпечуючи надзвичайно дешеві, вогнестійкі акумулятори, які використовують поширений на Землі алюміній (найпоширеніший метал) і сірку (найдешевший неметал) news.mit.edu.

Типи акумуляторів на основі сірки

Декілька технологій акумуляторів використовують сірчані катоди в парі з різними анодами:

• Літій-сірчані (Li-S) акумулятори: Літій-сірчана хімія є однією з найбільш досліджуваних «післялітієвих» технологій завдяки її надзвичайно високому енергетичному потенціалу. Li-S елемент теоретично може зберігати до 5 разів більше енергії на одиницю ваги, ніж літій-іонний елемент, оскільки сірка дуже легка, і кожен атом сірки може зв’язувати кілька атомів літію. На практиці Li-S акумулятори вже продемонстрували енергетичну щільність близько 400–500 Вт·год/кг (приблизно вдвічі більше, ніж у літій-іонних) у лабораторіях businessaviation.aero, apricum-group.com. Вони також привабливі тим, що є дуже дешевими та екологічними – сірка майже нічого не коштує і є поширеною, а Li-S елементи не містять кобальту чи нікелю. Однак ахіллесовою п’ятою Li-S є довговічність і стабільність. Традиційні прототипи Li-S страждали від ефекту «полісульфідного шатлу»: проміжні сполуки сірки (полісульфіди) розчиняються в електроліті під час циклів і мігрують до літієвого анода, викликаючи саморозряд, корозію та швидку втрату ємності anl.gov. Вони також зазнають значного «дихання» (зміни об’єму) – сірка сильно розширюється і стискається під час заряджання/розряджання, що може пошкодити структуру елемента reuters.com. Через ці проблеми перші Li-S акумулятори виходили з ладу вже після кількох десятків циклів. Хороша новина полягає в тому, що останні прориви вирішують ці проблеми. Дослідники розробили наноструктуровані вуглецеві катоди та добавки до електроліту для уловлювання полісульфідів і подовження терміну служби nature.com. У січні 2023 року Національна лабораторія Аргонна продемонструвала Li-S елемент зі спеціальним пористим «редокс-активним» проміжним шаром, який майже повністю усунув проблему шатлу, дозволивши акумулятору витримати понад 700 циклів із збереженням високої ємності anl.gov. «Попередні [сірчані] акумулятори лише пригнічували шатл, але жертвували енергією. Наш шар додає ємність для зберігання і пригнічує шатл», – пояснив хімік Аргонни Гуіліанг Сюй anl.gov. Це свідчить про те, що Li-S акумулятори можуть бути і високоефективними, і довговічними. Насправді компанії вже змагаються за їх комерціалізацію: Lyten, каліфорнійський стартап, розробив літій-сірчаний елемент, посилений власними 3D-графеновими матеріалами, і націлюється на нішеві ринки, такі як дрони, аерокосмічна галузь і оборона у 2024–2025 lyten.com. Lyten стверджує, що її Li-S батареї на 40% легші за сучасні літій-іонні (і на 60% легші за залізо-фосфатні батареї), при цьому вони дешевші при масовому виробництві завдяки відсутності нікелю, кобальту та інших дорогих матеріалів lyten.com. Інша компанія, Theion (Німеччина), працює над кристалічними сірчаними катодами і нещодавно повідомила про Li-S елементи з утричі більшою енергоємністю, ніж у літій-іонних, і лише за третину вартості, а також потенційно з третиною виробничих викидів reuters.com. Генеральний директор Theion Ульріх Емес заявив, що їхні батареї – які уникають проблем корозії завдяки використанню стабільної форми сірки та попередньо розширеній конструкції – можуть з’явитися в електромобілях “до кінця десятиліття”, якщо розробка йтиме за планом reuters.com. Коротко кажучи, літій-сірчані батареї знаходяться на порозі переходу з лабораторії на ринок, обіцяючи ультралегкі, високоенергетичні акумулятори для застосувань, де важливий кожен кілограм (електролітаки, електромобілі з великим запасом ходу, космос).
• Натрієво-сірчані (Na-S) батареї: Натрій і сірка можуть здатися несподіваною парою (натрій надзвичайно реактивний, а перші Na-S батареї працювали гарячими при 300°C), але ця хімія має довгу історію використання для зберігання енергії в мережі. Високотемпературні Na-S батареї десятиліттями використовуються для зберігання енергії в промислових масштабах (зокрема компанією NGK у Японії) – вони працюють із розплавленим натрієм і сіркою, розділеними твердим керамічним електролітом, забезпечуючи хорошу ефективність і довговічність для стаціонарного зберігання. Однак необхідність підтримувати температуру близько 300 °C обмежила ширше впровадження. Останнім часом з’явилося захоплення натрієво-сірчаними батареями кімнатної температури, які можуть стати дешевою та безпечною альтернативою для зберігання енергії у великих масштабах. Наприкінці 2022 року команда з Університету Сіднея оголосила про «дешеву батарею з у чотири рази більшою ємністю, ніж літій-іонна», використовуючи нову конструкцію Na-S для кімнатної температури sydney.edu.au. Використовуючи пористий вугільний електрод і просту термічну обробку (піроліз) для створення більш реактивної форми сірки, вони досягли надвисокої ємності та надзвичайно тривалого терміну служби при кімнатній температурі, подолавши попередню «повільність» Na-S sydney.edu.au. Провідний дослідник доктор Шенлон Чжао сказав, що ця натрієво-сірчана батарея «має потенціал значно знизити витрати, забезпечуючи при цьому в чотири рази більшу ємність для зберігання. Це значний прорив для розвитку відновлюваної енергетики…» sydney.edu.au. Дійсно, натрій і сірка ще більш поширені й дешеві, ніж літій, тому успішна Na-S батарея може стати справжньою знахідкою для зберігання енергії в мережі – дозволяючи створювати великі батареї для вітрових/сонячних електростанцій з мінімальними витратами. Хоча Na-S елементи не зрівняються з літій-іонними для компактних електромобілів (натрій важчий, а ці елементи наразі мають більший формат), вони можуть стати критично важливою частиною інфраструктури чистої енергії, пропонуючи безпечне та дешеве зберігання енергії, коли сонце не світить або вітер не дме sydney.edu.au. Дослідження тривають у всьому світі (Китай, Австралія, Європа) для вдосконалення натрієво-сірчаних батарей кімнатної температури з метою їх комерціалізації.
• Інші акумулятори на основі сірки: Окрім Li-S та Na-S, дослідники експериментували з сірчаними катодами в поєднанні з іншими металами, такими як магній або кальцій, а також із поєднанням сірки з алюмінієм (як обговорювалося раніше). Ці багатовалентні метал-сірчані акумулятори (де іон металу має більше ніж один заряд, наприклад, Al³⁺ або Mg²⁺) привабливі з тих самих причин, що й алюміній або сірка окремо – доступність і висока ємність, – але вони стикаються з ще складнішою хімією і переважно перебувають на ранніх етапах досліджень advanced.onlinelibrary.wiley.com. Наприклад, магній-сірчані елементи мають проблеми зі сумісністю електроліту та повільною кінетикою. Твердотільні сірчані акумулятори – ще одна передова варіація: використовуючи твердий електроліт (часто сульфід або полімер), вчені прагнуть створити Li-S елементи, які будуть безпечнішими (без займистої рідини) і повністю придушать ефект “шатлу” полісульфідів onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA активно розробляє твердотільний літій-сірчаний акумулятор (проєкт SABERS) із сірчано-селеновим катодом і новим твердим електролітом, досягаючи енергетичної щільності ~500 Вт·год/кг, що підходить для електричної авіації businessaviation.aero. Привабливість сірки – легкість, доступність, потужність – зробила її центром багатьох футуристичних концепцій акумуляторів.

Розглянувши різноманіття акумуляторів на основі алюмінію та сірки, тепер ми можемо порівняти, як ці технології співвідносяться з панівними літій-іонними та які унікальні переваги вони пропонують.

Ключові переваги та вигоди порівняно з літій-іонними

Як акумулятори на основі алюмінію, так і на основі сірки обіцяють значні переваги у вартості, стійкості та продуктивності, якщо їхній розвиток буде успішним. Ось основні переваги:

• 🌎 Доступні, недорогі матеріали: Алюміній і сірка дешеві й поширені практично всюди. Алюміній — найпоширеніший метал у земній корі, а сірка є звичайним побічним продуктом рафінування. Це означає, що вартість матеріалів може бути значно нижчою. У звіті Science зазначено, що сировина для алюмінієво-сірчаних акумуляторів може бути на 85% дешевшою, ніж для літій-іонних батарей news.mit.edu. Стартап Theion (виробник сірчаних батарей) також стверджує, що їхні елементи коштуватимуть лише третину від вартості літій-іонних reuters.com. За словами Садовея, ці батареї «етично добуті, дешеві [та] ефективні» news.mit.edu – вони уникають дорогих металів, які часто пов’язані з проблемним видобутком. Використання поширених ресурсів також означає менше вузьких місць у постачанні; ми не зіткнемося з дефіцитом літію чи кобальту, якщо алюмінієво-сірчані батареї стануть масовими.
• 🔥 Підвищена безпека (негорючість): Багато новітніх алюмінієво/сірчаних батарей розроблені значно безпечнішими. Замість легкозаймистих органічних електролітів вони можуть використовувати неорганічні розплавлені солі або тверді електроліти, які не займаються news.mit.edu. Алюмінієво-іонні та алюмінієво-сірчані елементи, продемонстровані Стенфордом і MIT, «не загоряються, навіть якщо їх просвердлити» або працюють при високих температурах news.stanford.edu, news.mit.edu. Так само сірчані катоди у поєднанні з твердими або гелевими електролітами краще протистоять тепловому розгону, ніж звичайні літій-іонні. Алюмінієво-повітряна система Phinergy за своєю природою негорюча й «безпечна, негорюча» у роботі evreporter.com. Підвищена безпека не лише захищає користувачів, а й спрощує транспортування та виробництво (немає потреби у дорогому охолодженні чи протипожежних системах у батарейних блоках).
• ⚡ Висока енергетична щільність і мала вага: Обидві хімії пропонують потенціал для більшого зберігання енергії на одиницю ваги, ніж сучасні акумулятори. Наприклад, літій-сірчані батареї досягли ~500 Вт·год/кг у прототипах businessaviation.aero – це приблизно вдвічі більше, ніж найкращі літій-іонні, що дозволяє створювати значно легші акумуляторні блоки. Lyten повідомляє, що їхні Li-S елементи будуть до на 40% легші за літій-іонні блоки при тій же енергії lyten.com. Theion ставить за мету утричі більшу енергетичну щільність порівняно з літій-іонними reuters.com. Для електромобілів та літаків це може означати більший запас ходу або більшу вантажопідйомність при тій же вазі акумулятора. Алюміній-повітряні батареї мають надзвичайно високу енергетичну щільність (кілька років тому на такій батареї встановили рекорд – 1 100 миль на одному “бакі” алюміній-повітря), хоча вони потребують дозаправки. Навіть алюміній-іонні батареї, хоч і мають нижчу теоретичну енергію, ніж Li-S, можуть відзначатися високою потужністю – елемент Стенфорда міг повністю зарядитися за одну хвилину news.stanford.edu, що натякає на акумулятори, які заряджаються так само швидко, як і заправка бензобака. Коротко кажучи, ці технології можуть забезпечити або значно більше енергії (для тривалого використання), або набагато швидші швидкості розряду/заряду, ніж літій-іонні, або і те, і інше.
• 🔋 Потенціал тривалого терміну служби: При належній інженерії алюмінієві та сірчані батареї можуть служити так само довго або довше, ніж літій-іонні. Алюмінієві аноди не утворюють таких дендритів, як літієві (особливо з правильними електролітами) news.mit.edu, тому вони можуть бути дуже довговічними. Алюміній-іонний елемент Стенфорда витримав понад 7 500 циклів (на порядок більше, ніж літій-іонний) news.stanford.edu. Сірчані елементи історично мали низький термін служби, але нові конструкції (проміжні шари, твердотільні тощо) досягають сотень або тисяч циклів із мінімальними втратами anl.gov, nature.com. Для стаціонарного зберігання важливо, щоб акумулятор надійно працював щодня протягом 10+ років, і розробники цих хімій особливо зосереджені на стабільності.
• ♻️ Екологічні та етичні переваги: Оскільки ці батареї використовують легкодоступні матеріали, вони уникають екологічної шкоди, пов’язаної з видобутком і переробкою рідкісних металів, таких як кобальт, нікель і літій. Також зменшується вбудований вуглецевий слід батареї. Theion оцінює, що їхні сірчані акумуляторні елементи будуть викидати лише одну третину CO₂ під час виробництва порівняно з літій-іонними елементами reuters.com. Сірка часто є відходом (мільйони тонн зберігаються на складах), тому використання її в батареях фактично є переробкою промислових відходів. Алюміній також дуже добре піддається переробці – існуюча глобальна інфраструктура для переробки може бути використана для легкого вилучення алюмінію зі старих батарей. З етичної точки зору, використання сірки та алюмінію дозволяє уникнути проблем дитячої праці та порушень прав людини, які супроводжують видобуток кобальту. Усі ці фактори означають, що батареї наступного покоління можуть бути більш сталими та соціально відповідальними протягом усього життєвого циклу.
• 💡 Швидка зарядка та висока потужність: Деякі конструкції на основі алюмінію/сірки демонструють ультрашвидку зарядку. Ми вже згадували про зарядку за 60 секунд у лабораторних тестах news.stanford.edu. Крім того, алюмінієво-сірчані елементи в лабораторії працювали при дуже високих швидкостях зарядки (наприклад, зарядка на 1C і вище при підвищеній температурі з відмінним збереженням ємності) nature.com. Алюмінієво-повітряні батареї можна “перезарядити” миттєво, просто замінивши алюміній. Ці особливості можуть вирішити одну з найбільших скарг споживачів щодо електромобілів і гаджетів – тривалий час зарядки – а також забезпечити високу потужність у разі потреби (уявіть електроінструменти або електромобілі з алюмінієвими батареями, які забезпечують потужний імпульс без просідання напруги).

Варто зазначити, що не всі ці переваги однаково стосуються всіх варіантів (наприклад, алюмінієво-повітряні батареї мають велику енергоємність, але не є електрично перезаряджуваними; алюмінієво-іонні швидко заряджаються, але мають нижчу напругу; Li-S дуже легкі, але наразі мають помірний термін служби). Однак загальна обіцянка алюмінієвих і сірчаних батарей полягає в тому, що ми можемо суттєво знизити вартість і залежність від рідкісних матеріалів, забезпечуючи при цьому таку ж або кращу продуктивність у ключових сферах безпеки, енергії та потужності.

Виклики та технічні труднощі

Якщо алюмінієві та сірчані батареї такі чудові, чому їх ще немає всюди? Насправді ці технології стикаються зі значними викликами, які дослідники та інженери ще намагаються подолати:

• Полісульфідний шатл і деградація катода (Проблеми сірки): У літій-сірчаних та інших батареях із сірчаним катодом сумнозвісна проблема полісульфідного шатлу стала серйозною перешкодою. Під час циклів роботи батареї сірка проходить проміжні стадії, які можуть розчинятися в електроліті та мігрувати до анода, спричиняючи саморозряд, втрату активного матеріалу та навіть шкідливі реакції з анодом anl.gov. Це призводить до швидкої втрати ємності. Крім того, сірчані катоди схильні до набухання і стиснення (до ~80% зміни об’єму) під час перетворення на літій сульфід і назад reuters.com. Це «дихання» з часом може подрібнити катод або відшарувати його від струмознімача. Хоча нові стратегії (наприклад, додавання захисних проміжних шарів anl.gov, використання наноструктурованих вуглецевих носіїв або твердих електролітів) частково вирішили ці проблеми, забезпечити тривалу роботу сірчаних батарей у реальних умовах залишається ключовим викликом.
• Дендрити та проблеми осадження (Металеві аноди): Алюмінієві металеві аноди, як і інші металеві аноди, можуть утворювати дендрити (тонкі, провідні нитки) під час підзарядки, що створює ризик короткого замикання елемента. Насправді однією з головних причин, чому алюмінієві батареї довго не працювали, було те, що нікому не вдавалося забезпечити стабільне осадження/розчинення алюмінію – часто утворювався «мохоподібний» осад або анод деактивувався через утворення оксидної плівки. Іонні рідини та розплавлені соляні електроліти значно допомогли «приборкати» цю проблему (одна команда повідомила, що їхня алюмінієва батарея на розплавленій солі «жодного разу не втратила елемент через коротке замикання дендритами» під час швидких тестів заряджання news.mit.edu). Але якщо використовувати більш традиційний електроліт, дендрити або побічні реакції з оксидною плівкою алюмінію можуть стати проблемою. Аналогічно, якщо в сірчаних батареях як анод використовується літій-метал (що часто буває у Li-S конструкціях), виникають дендрити літію та проблеми безпеки, особливо при використанні рідких електролітів. Дослідники часто поєднують Li-S із захисними мембранами або твердотільними конструкціями для запобігання утворенню дендритів літію.
• Низька робоча напруга та енергоефективність (алюмінієві іонні батареї): Алюмінієві іонні батареї, особливо ті, що використовують інтеркаляцію (наприклад, графітові катоди), зазвичай мають нижчу напругу елемента, ніж літій-іонні. Відома алюмінієво-іонна батарея Стенфорда виробляла близько 2,0 вольт news.stanford.edu, тоді як літій-іонна батарея має номінальну напругу ~3,7 В. Це частково пов’язано з хімією інтеркаляції Al³⁺ та обмеженнями електроліту. Нижча напруга означає, що потрібно більше елементів у серії (що додає складності та певних енергетичних втрат), щоб досягти бажаної напруги акумуляторного блоку. Є також проблема багатозарядних іонів, таких як Al³⁺, які мають повільну кінетику у твердих тілах – переміщення іона з зарядом +3 складніше, ніж іона з зарядом +1, як Li⁺, тому досягти високої потужності може бути важко, якщо не підвищити температуру або не використовувати спеціальні електроліти nature.com. Деякі алюмінієві батареї добре працюють лише при підвищених температурах (60–100 °C), що може ускладнити їх використання в споживчій електроніці (ніхто не хоче постійно гарячу батарею в телефоні!). Хороша новина: інновації в електролітах (наприклад, додавання певних солей або використання нових сумішей) покращують провідність алюмінієво-іонних батарей при нижчих температурах nature.com.
• Вимоги до температури: Як зазначено, кілька алюмінієвих і натрієвих конструкцій використовують електроліти на основі розплавлених солей, які потрібно підтримувати теплими. Наприклад, алюмінієво-сірчана батарея MIT оптимально працює при близько 110 °C news.mit.edu, а навіть покращений варіант працює при 85 °C nature.com. Хоча це й не надто гаряче за промисловими стандартами, це означає, що акумуляторний блок потребуватиме ізоляції і, можливо, невеликого нагрівача для підтримки потрібного діапазону температур. Це прийнятно для стаціонарного зберігання (де батарея розміром з холодильник може мати терморегуляцію), але є викликом для портативних пристроїв і електромобілів, якщо тільки тепло не може підтримуватися самостійно (елемент Садовея фактично самонагрівається під час циклів для підтримки температури news.mit.edu). Робота при високих температурах також вимагає надійної герметизації та врахування питань безпеки (хоча перевага – відсутність ризику займання). Дослідники працюють над зниженням робочих температур і навіть досліджують хімії для роботи при кімнатній температурі як для алюмінієвих, так і для натрієвих систем nature.com.
Інфраструктура заряджання та «заправка» (Al-Air): Унікальною особливістю алюмінієво-повітряних (та подібних металоповітряних) систем є те, що їх не можна перезарядити, просто підключивши до зарядного пристрою. Необхідно замінити або переробити алюмінієвий анод після його використання. Це вимагає створення цілої інфраструктури для заміни алюмінієвих пластин або картриджів, збору використаних і переробки алюмінію (ймовірно, шляхом електричного плавлення, що фактично є «перезарядкою» алюмінію). Indian Oil та Phinergy активно працюють над цією екосистемою evreporter.com, але це інша парадигма, ніж автозаправки чи зарядні станції. Без широкої підтримки алюмінієво-повітряні батареї можуть залишитися нішевими. Додатково, побічний продукт алюмінієво-повітряних батарей (гідроксид алюмінію) також потрібно утилізувати – хоча його можна переробити у новий алюміній або інші продукти.
• Масштабування виробництва та інтеграція: Технологія літій-іонних батарей має 30-річну перевагу з величезними виробничими масштабами, оптимізованими ланцюгами постачання та добре підготовленою робочою силою. Будь-яка нова хімія батарей стикається з проблемою переходу від лабораторного чи пілотного масштабу до масштабу гігафабрики. Алюмінієві та сірчані батареї можуть вимагати нових виробничих процесів (наприклад, роботи з вологочуткими іонними рідинами чи твердими електролітами, або нових конструкцій елементів, як у Theion зі складеними електродами). Масштабування без дефектів і за низької вартості — непросте завдання. Є також питання інтеграції — чи можуть ці нові батареї бути встановлені у наявні пристрої чи транспортні засоби, чи потрібні нові конструкції? Різні профілі напруги, форм-фактори або умови експлуатації можуть вимагати переобладнання всього — від систем керування батареями до конструкції шасі автомобілів. Ці перехідні витрати та невизначеності можуть уповільнити впровадження.
• Поточний стан (готовність технології): Хоча у 2024 та 2025 роках відбулися великі прориви (як ми розглянемо далі), багато технологій алюмінієвих і сірчаних батарей все ще перебувають на стадії прототипу або ранньої комерціалізації. Жодна з них ще не досягла такого масового впровадження, як літій-іонні батареї. Наприклад, літій-сірчані елементи лише зараз виходять на обмежені ринки, такі як дрони та супутники, де їх короткий термін служби можна прийняти або компенсувати. Алюмінієво-сірчані та алюмінієво-іонні батареї знаходяться на стадії демонстрації та масштабування; жоден електромобіль чи енергомережа ще не має великої такої батареї у повноцінній експлуатації. Це означає, що все ще існує ризик появи непередбачених проблем у реальному використанні (згадайте, як літій-іонні батареї на початку стикалися з випадками теплового розгону). Потрібен час, інвестиції та, ймовірно, кілька ітерацій, перш ніж ці технології стануть такими ж надійними, як існуючі. Як скептичне зауваження: літій-іонні батареї також щороку вдосконалюються — з новими хімічними складами, такими як літій-залізо-фосфат (LFP) та літій-металеві твердотільні батареї на горизонті — тому алюмінієві та сірчані батареї повинні не лише працювати, а й конкурувати з удосконалюваними існуючими технологіями.

Підсумовуючи, алюмінієві та сірчані батареї мають величезний потенціал, але також стикаються з унікальними труднощами. Дослідники відверто визнають, що потрібно ще багато роботи; як написала одна команда у 2022 році, незважаючи на прогрес, “Al–S batteries have suffered poor rate capability and cycling stability” історично, що вимагає подальших інновацій в електролітах та електродах nature.com. Подолання цих викликів — саме те, на чому зараз зосереджені багато лабораторій і стартапів.

Хто очолює прорив? Основні гравці у розробці

У цій захопливій галузі працює поєднання академічних лабораторій, стартапів і промислових гігантів, які розширюють межі можливого. Ось деякі з помітних гравців і чим вони займаються:

• Массачусетський технологічний інститут (MIT) та Avanti: MIT є осередком інноваційних досліджень у сфері батарей. Група професора Дональда Садовея в MIT стала рушієм концепції алюмінієво-сірчаної батареї. Після публікації проривних результатів у Nature у 2022 році Садовей став співзасновником Avanti, щоб комерціалізувати цю технологію news.mit.edu. Мета Avanti — масштабувати виробництво алюмінієво-сірчаних елементів для стаціонарного зберігання енергії та інших застосувань. Садовей також відомий як співзасновник компанії Ambri, яка комерціалізує рідкометалеві батареї (з іншими хімічними складниками, такими як кальцій і сурма). Ambri орієнтується на зберігання енергії у масштабах електромережі, і повідомлялося, що у 2024 році компанія розгортає свої системи youtube.com. Завдяки Ambri та Avanti інновації Садовея можуть охопити як великі батареї для енергетики, так і менші батареї для будівель чи станцій зарядки електромобілів news.mit.edu. Вплив MIT на цьому не закінчується — його дослідники також вивчають літій-сірчані батареї у різних проєктах, а інститут часто співпрацює з національними лабораторіями та компаніями у сфері передових батарейних технологій.
• Стенфордський університет і SLAC: Стенфорд зробив перші кроки у сфері алюмінієво-іонних акумуляторів (прототип швидкої зарядки Al-ion 2015 року news.stanford.edu). Цю роботу, яку очолював професор Хонгцзе Дай, показала, що простий графітовий катод може забезпечити перезаряджуваний алюмінієвий акумулятор. Стенфорд продовжує дослідження акумуляторів; наприклад, SLAC (Стенфордська лінійна прискорювальна лабораторія) вивчала нові катоди для алюмінієвих акумуляторів, такі як металеві сульфіди nature.com, а також досліджувала міжфазову хімію для покращення циклічності. Хоча відкриття Стенфорда 2015 року ще не перетворилося на комерційний продукт, воно продемонструвало здійсненність і було процитовано в багатьох наступних дослідженнях. Це також підкреслило підхід Стенфорда до відкритих досліджень, які ведуть до впровадження в промисловість (деякі випускники програми акумуляторів Стенфорда приєдналися до стартапів або заснували власні у стартап-сцені акумуляторів затоки).
• Graphene Manufacturing Group (GMG) і Університет Квінсленду: В Австралії GMG (у співпраці з Університетом Квінсленду) розробляє графеновий алюмінієво-іонний акумулятор. Вони повідомили про вражаючі результати в прототипах у формі монетних елементів – з надзвичайно швидкою зарядкою та тривалим терміном служби – використовуючи графен (форма вуглецю) як катодний матеріал в алюмінієво-іонній конфігурації batteriesnews.com. GMG прагне масштабувати свою технологію до пакетних елементів, придатних для споживчої електроніки або електромобілів, і станом на кінець 2022 року у них була програма розробки та пілотна виробнича лінія у процесі створення graphenemg.com. Їхній підхід підкреслює синергію наноматеріалів (графену) з новими хіміями, такими як алюмінієво-іонна, для досягнення кращих результатів.
• Phinergy та Indian Oil (IOC): Phinergy — це ізраїльський стартап, який вже понад десятиліття є піонером у сфері алюмінієво-повітряних батарей. У 2014 році вони прославилися тим, що забезпечили роботу демонстраційного автомобіля на алюмінієво-повітряній батареї на відстань 1 100 миль, а з того часу зосередилися на реальних продуктах для резервного живлення та збільшення запасу ходу електромобілів. Phinergy уклала партнерство з Indian Oil Corporation, щоб створити спільне підприємство (IOC Phinergy), яке впроваджує алюмінієво-повітряну технологію на ринку Індії — потенційно величезному для країни, яка прагне знайти альтернативу нафті та використати свою алюмінієву промисловість. На початку 2023 року IOC Phinergy представила перший в Індії транспортний засіб на алюмінієво-повітряній батареї та розпочала створення інфраструктури для виробництва та переробки пластин alcircle.com. Уряд Індії також виявив зацікавленість, оскільки алюмінієво-повітряні батареї можуть зменшити залежність від імпортного літію. Технологія Phinergy вже комерційно використовується для резервного живлення телекомунікаційних веж (замість дизельних генераторів використовуються безвикидні алюмінієво-повітряні системи) evreporter.com, а також компанія співпрацює з автовиробниками, такими як Mahindra, щодо інтеграції у транспортні засоби (наприклад, тестові парки електричних рикш і автобусів із використанням алюмінієво-повітряних батарей для збільшення запасу ходу) evreporter.com. Прогрес Phinergy є надзвичайно важливим, оскільки це одна з перших компаній, яка вивела алюмінієву батарею з лабораторії у практичне застосування в полі.
• Lyten: Lyten — це стартап із Силіконової долини (розташований у Сан-Хосе, Каліфорнія), який кілька років працював у режимі секретності, розробляючи літій-сірчану батарею, вдосконалену за допомогою власного 3D-графенового матеріалу. Нещодавно вони вийшли на публіку з великою новиною: у жовтні 2024 року Lyten оголосила про плани побудувати першу у світі гігафабрику літій-сірчаних батарей у Неваді з інвестиціями понад 1 мільярд доларів lyten.coml. Очікується, що підприємство вироблятиме 10 ГВт·год літій-сірчаних батарей щорічно до 2027 року lyten.com. Такий сміливий крок свідчить про впевненість у тому, що їхня технологія майже готова до масового виробництва. Початковими цільовими ринками Lyten є не пасажирські електромобілі, а мікромобільність, аерокосмічна галузь, дрони та оборона у 2024–2025 роках lyten.com — сфери, де висока енергетична щільність Li-S дає вирішальну перевагу, а трохи менший термін служби може бути прийнятним. Компанія підкреслює легку вагу своїх батарей і відсутність конфліктних мінералів, і справді, їхні елементи використовують аноди з металевого літію та катоди з сірчано-вуглецевого композиту, уникаючи нікелю, кобальту тощо. lyten.com. Генеральний директор Lyten, Ден Кук, сказав: “Літій-сірчана батарея — це стрибок у технологіях акумуляторів, що забезпечує високу енергетичну щільність, легку батарею, створену з доступних місцевих матеріалів” lyten.com. Вони навіть виготовляють дослідні акумуляторні елементи власними силами з 2023 року, щоб тестувати та вдосконалювати виробничий процес lyten.com. Якщо гігафабрика Lyten буде успішною, це може стати грою, що змінює правила — першими комерційними літій-сірчаними батареями, виготовленими у великих масштабах, потенційно для використання у електролітаках нового покоління або електричних вантажівках далекого радіусу дії, де кожен кілограм має значення.
• Theion: Theion — це стартап із Берліна, Німеччина, який зосереджений на літій-сірчаних акумуляторах із родзинкою — вони використовують кристалічну сірку та спеціальні електроди для підвищення стабільності. У березні 2025 року Theion залучила 15 мільйонів євро у раунді фінансування серії A для масштабування своїх акумуляторних елементів reuters.com. Theion стверджує, що їхні елементи можуть потроїти енергетичну щільність літій-іонних акумуляторів, зменшивши вартість до третини, як згадувалося раніше reuters.com. Повідомляється, що вони вирішили ключові проблеми, попередньо розширюючи катод для врахування розширення сірки та зберігаючи сірку у кристалічній формі, яка менш реактивна з електролітами reuters.com. Генеральний директор Ульріх Емес заявив, що їхня технологія може знайти застосування в електромобілях, “літаючих таксі” або енергозберіганні, і потенційно з’явитися в автомобілях до кінця 2020-х років reuters.com. Підхід Theion привернув увагу тим, що не залежить від екзотичних матеріалів — вони підкреслюють, що їхні батареї “дихають” менше і не кородують, як попередні Li-S. Фінансування допоможе їм розробити більші pouch-елементи та перейти від прототипів у формі монет reuters.com. Інтерес Німеччини до сірчаних акумуляторів також узгоджується з прагненням Європи мати власні, стійкі акумуляторні технології.
• Аргоннська національна лабораторія та Міністерство енергетики США: У сфері державних досліджень Аргонн (разом з іншими лабораторіями Міністерства енергетики США, такими як Оук-Рідж і Тихоокеанська північно-західна) активно досліджує сірчані акумулятори. Ми вже обговорювали досягнення Аргоннської лабораторії у створенні міжшарової конструкції для Li-S елементів anl.gov. Вони також досліджують твердотільні сірчані акумулятори у партнерстві з NASA для авіації. Офіс транспортних технологій DOE фінансував кілька проєктів щодо Li-S, Mg-S, а також Li-Air і Al-Air, визнаючи стратегічну важливість хімії наступного покоління. Національні лабораторії часто співпрацюють з університетами (наприклад, Аргонн працювала з командою, до якої входив Університет Іллінойсу, над міжшаровими сірчаними матеріалами) і діляться результатами, на яких можуть будувати стартапи. Наприклад, багато знань про поведінку полісульфідів і передові методи аналізу (з використанням таких інструментів, як Advanced Photon Source Аргоннської лабораторії для рентгенівського аналізу акумуляторів anl.gov) походять саме з цих лабораторій.
• Інші помітні: Університети, такі як Університет Монаша (Австралія), потрапили в заголовки новин у 2020 році з акумулятором Li-S, який, за повідомленнями, міг живити смартфон протягом п’яти днів і демонстрував чудову стабільність завдяки новому зв’язуючому та конструкції електрода advancedsciencenews.com. Відтоді Монаш також працює над швидкозарядними Li-S, орієнтуючись на використання в електричній авіації monash.edu. У Великій Британії вже неіснуюча Oxis Energy була піонером у Li-S; до свого закриття у 2021 році Oxis розробила Li-S елементи, що наближалися до 400 Вт·год/кг, і співпрацювала з виробниками літаків. Її інтелектуальна власність була придбана іншими організаціями, можливо, для нових проєктів. Китайська академія наук, Уханський технологічний університет (який був співавтором статті Садовея про Al-S news.mit.edu), а також компанії на кшталт CATL активно досліджують сірчані та алюмінієві хімії, хоча деталі іноді залишаються в таємниці. Навіть на Battery Day Tesla у 2020 році натякнули на інтерес до сірки (Ілон Маск пожартував, що Tesla досліджує “літій і сірку”, не вдаючись у подробиці, можливо, для довгострокових проєктів). Нарешті, NASA та Boeing розглядають Li-S для літаків: проєкт SABERS NASA має багатошарову сірчану батарею, яка досягла 500 Вт·год/кг, що може дозволити створення електричних літаків або передових дронів businessaviation.aero.

Очевидно, що глобальна екосистема новаторів просуває вперед алюмінієві та сірчані акумулятори – від амбітних стартапів до поважних національних лабораторій. Наступні кілька років (2025–2030) ймовірно принесуть плоди у вигляді реальних продуктів і пілотних впроваджень деяких із цих зусиль.

Прориви та нещодавні інновації (2024–2025)

Період з 2024 по 2025 рік був особливо захопливим для розробок алюмінієвих і сірчаних акумуляторів, із кількома помітними проривами:

• Січень 2024 – Алюміній-сірка при 85 °C (Nature Communications): Дослідники продемонстрували нову алюміній-сірчану батарею, яка працює при 85 °C з четвертинним розплавленим сольовим електролітом, опубліковано в Nature Communications nature.com. Ця батарея показала здатність до швидкої зарядки і вражаючу довговічність: вона зберегла 85,4% своєї ємності після 1 400 циклів при швидкості заряду 1C nature.com. Важливо, що 85 °C — це значне покращення порівняно з попередніми розплавленими сольовими батареями, яким потрібно було 110–180 °C nature.com. Команда досягла цього, сформулювавши спеціальну суміш солей (лужні хлоралумінати) з низькою температурою плавлення, що також сприяло швидкому руху іонів алюмінію nature.com. Вони також використали азот-допований пористий вуглецевий катод, який допоміг реакціям сірки проходити швидко nature.com. Цей результат є значущим, оскільки вказує на практичні, недорогі мережеві батареї, які можуть працювати з простим нагріванням (навіть просто гаряча вода як джерело тепла, як зазначають автори nature.com) і забезпечувати швидку зарядку без деградації. Це крок до того, щоб зробити концепцію MIT Al-S батареї більш зручною для користувача та мобільною.
Жовтень 2024 – Lyten оголошує про Li-S гігафабрику: Оголошення Lyten про гігафабрику літій-сірчаних акумуляторів у Неваді стало головною новиною галузі наприкінці 2024 року lyten.com. Це має стати першою у світі гігафабрикою, присвяченою виробництву Li-S елементів, з цільовим обсягом виробництва 10 ГВт·год/рік до 2027 року lyten.com. Ще більш вражаючим стало те, що Lyten заявила, що її Li-S акумулятори вже виходять на окремі ринки у 2024 та 2025 роках – зокрема, у них є клієнти у сфері мікромобільності (електровелосипеди, самокати), аерокосмічній галузі (можливо, супутники або висотні дрони), дронах та оборонних застосуваннях, які використовують їхні акумулятори lyten.com. Це свідчить про те, що Lyten перейшла від лабораторних прототипів до пілотного виробництва та реального використання у цих нішах. Намір побудувати велику фабрику свідчить про впевненість у масштабуванні технології та появі попиту на неї. Це також великий сигнал для акумуляторної індустрії та інвесторів, що літій-сірчані акумулятори наближаються до готовності для масового використання. Можливо, незабаром ми побачимо продукти з позначкою “Li-S battery inside”, принаймні у преміальних або спеціалізованих застосуваннях, як наслідок цього. Березень 2025 – Theion залучає кошти, заявляє про 3× енергоємність: У березні 2025 року Reuters повідомило, що Theion залучила 15 мільйонів євро для масштабування своєї сірчаної батареї, яка «зберігає більше енергії, але коштує значно менше, ніж звичайні літій-іонні батареї». Theion публічно розкрила частину своєї технічної стратегії, заявивши, що їхні елементи мають утричі більшу енергоємність порівняно з літій-іонними, при третині вартості та третині викидів CO₂, як згадувалося раніше. Вони відповіли на основні занепокоєння, заявивши, що уникають швидкої корозії, використовуючи кристалічну сірку, а проблему розширення вирішують попереднім розширенням структури катода. Фінансування допоможе їм перейти від монетних елементів до більших пакетних елементів (придатних для електромобілів або літаків). Цей розвиток подій нагадує, що не лише один, а кілька стартапів (Lyten, Theion, інші) досягають важливих етапів і залучають інвестиції, що підвищує ймовірність того, що принаймні один з них досягне комерційного успіху. Це трохи нагадує ранні дні літій-іонних батарей, коли в гонці брали участь кілька компаній і країн – тут ми бачимо, як американські та європейські гравці одночасно просувають сірчані батареї.
• 2023 – 2024 – Розгадування головоломки життєвого циклу сірки: Протягом 2023 року та на початку 2024 року кілька наукових груп опублікували досягнення у продовженні терміну служби сірчаних акумуляторів. Одним із ключових моментів стало дослідження під керівництвом Аргонської національної лабораторії (опубліковане у серпні 2022 року в Nature Communications), яке показало, що редокс-активний проміжний шар може значно покращити стабільність Li-S акумуляторів anl.gov. На початку 2023 року вони повідомили, що цей підхід дозволяє отримати елементи, які зберігають високу ємність протягом сотень циклів anl.gov, що наближає Li-S до придатності для повсякденного використання. У середині 2024 року інша команда повідомила про складний, гнучкий Li-S акумулятор із використанням спеціального катода з сульфіду заліза, який навіть витримує розрізання без втрати працездатності acs.org – нове рішення для носимих або гнучких електронних пристроїв на основі Li-S. Ці поступові інновації важливі: вони поетапно вирішують практичні проблеми (такі як керування полісульфідами, механічні навантаження тощо). Кожне покращення наближає Li-S елементи до відповідності суворим вимогам комерційної електроніки та транспорту.
• 2024 – Сплеск досліджень алюмінієвих акумуляторів: У сфері алюмінію наприкінці 2024 року також з’явилися цікаві дослідження. Вчені досліджували нові катодні матеріали для алюмінієвих іонних акумуляторів, такі як сульфід кобальту, щоб досягти більшої ємності та кращого розуміння механізмів зберігання заряду nature.com. Зростає кількість робіт щодо “мультивалентних” акумуляторів (включаючи Al, Mg, Zn), які часто мають спільні виклики та прориви – наприклад, покращені електроліти, які допомагають одній системі, іноді можна застосувати й до іншої advanced.onlinelibrary.wiley.com. Також ми бачимо, що такі країни, як Індія, інвестують у технології алюмінієвих акумуляторів не лише через алюмінієво-повітряні батареї Phinergy, а й через академічні дослідження зі створення акумулятора, придатного для індійських умов (уряд фінансує проєкти в рамках національної програми накопичення енергії). Хоча ці розробки ще не стали світовими сенсаціями, вони сприяють зростанню інтересу до алюмінієвих акумуляторів у всьому світі.
• Політика та ринкові сигнали: Проривні історії стосуються не лише технічних аспектів. У 2024–2025 роках ми спостерігаємо потужні ринкові сигнали на підтримку цих нових батарей. Закон США про зниження інфляції (IRA) та інші політики стимулюють розвиток внутрішніх ланцюгів постачання батарей – що вигідно для хімічних складів, які можна виробляти з місцевої сировини, такої як сірка (США виробляють багато сірки з нафтопереробки) та алюміній. Гігафабрика Lyten у Неваді та інтерес Міністерства оборони США до легких літій-сірчаних батарей для солдатів чи супутників є результатом цих стимулів lyten.com. У Європі прагнення до сталого розвитку робить батареї без кобальту та нікелю дуже привабливими, тому ЄС фінансує проєкти на кшталт Theion та інші. Навіть у Китаї, де домінує виробництво літій-іонних батарей, існують державні програми підтримки “батарей наступного покоління” (наприклад, повідомляється, що CATL працює над гібридною натрій-іонною + сірчаною батареєю, запуск якої очікується близько 2023/24 року для стаціонарного зберігання). Усі ці тенденції свідчать, що настав час для алюмінієвих і сірчаних батарей – світ шукає рішення, і технології наздоганяють ці потреби.

По суті, за останні два роки алюмінієві та сірчані батареї перетворилися з нішевої лабораторної цікавинки на серйозних претендентів на майбутнє енергетичного зберігання. Як влучно сказав один із науковців: “Ми на крок ближче до того, щоб побачити цю технологію у повсякденному житті.” anl.gov Саме такий поступ крок за кроком відбувається зараз, а наступним кроком стане ширша комерціалізація та масштабування цих інновацій.

Потенційні сфери застосування та вплив на чисту енергетику й електромобілі

Поява алюмінієвих і сірчаних батарей може вплинути на широкий спектр галузей. Ось деякі з найперспективніших застосувань і їхні наслідки:

• 🏠 Зберігання відновлюваної енергії (мережа та дім): Можливо, найбільший вплив у найближчій перспективі буде у сфері стаціонарного зберігання енергії для чистої енергетики. Однією з головних проблем відновлюваної енергії (сонячної, вітрової) є переривчастість – сонце і вітер не доступні 24/7, тому нам потрібні масивні, економічні акумулятори для зберігання енергії, коли вони не виробляють. Літій-іонні акумулятори вже почали використовувати для зберігання енергії в мережі, але вони все ще відносно дорогі та залежать від імпортованих матеріалів. Акумулятори на основі алюмінію-сірки та натрію-сірки, завдяки своїм наддешевим компонентам, можуть радикально знизити вартість зберігання кіловат-години. Садовей з MIT спеціально орієнтував свій Al-S акумулятор на домашній та сусідський рівень – «розмір, необхідний для живлення одного будинку або малого/середнього бізнесу» (порядку десятків кВт·год) news.mit.edu. Такі акумулятори дозволили б власникам дахових сонячних панелей дешево зберігати денну енергію для використання вночі, а малому бізнесу – мати резервне живлення без дизельного генератора. У більших масштабах енергетичні компанії могли б розгортати величезні банки алюмінієвих або натрій-сірчаних акумуляторів для згладжування виробництва відновлюваної енергії. Команда Сіднейського університету зазначила, що їхній недорогий Na-S акумулятор може «значно знизити вартість переходу до декарбонізованої економіки», забезпечуючи доступне зберігання sydney.edu.au. У місцях, де немає географічних умов для гідроакумулюючих станцій, ці електрохімічні рішення є ключовими. Крім того, оскільки ці нові акумулятори не горючі (важливо для безпеки громад) і використовують доступні матеріали, їх можна виробляти та встановлювати локально в багатьох регіонах – підвищуючи енергетичну безпеку. Загалом, широке впровадження стаціонарних акумуляторів на основі алюмінію/сірки дозволить більше впровадження відновлюваної енергії, зменшить обмеження (втрати сонячної/вітрової енергії через нестачу зберігання) і допоможе стабілізувати мережу за допомогою чистої, керованої енергії.
• 🚗 Електромобілі (EV): Легші та енергоємніші акумулятори — це святий Грааль для електромобілів і навіть електричної авіації. Особливо привабливими тут є літій-сірчані акумулятори. Li-S батарея може драматично збільшити запас ходу електромобіля без додавання ваги — або, навпаки, забезпечити такий самий запас ходу з набагато легшою батареєю, підвищуючи ефективність. Наприклад, якщо сучасному електромобілю потрібна літій-іонна батарея вагою 600 кг для пробігу 300 миль, то Li-S батарея з удвічі більшою енергоємністю може досягти цього з вагою близько 300 кг, суттєво зменшуючи масу автомобіля. Це покращує прискорення, керованість і знижує споживання енергії на милю. Це також може зробити електричні вантажівки та автобуси більш життєздатними, звільняючи вагу для корисного навантаження. Такі компанії, як Oxis Energy (до закриття) та Sion Power співпрацювали з авіаційними та автомобільними партнерами над прототипами Li-S батарей для літаків далекого радіусу дії та електромобілів. Насправді, ранні Li-S елементи Sion Power забезпечили живлення для High Altitude Pseudo-Satellite (безпілотного сонячного літака), який побив рекорди тривалості польоту у 2010-х роках. Останнім часом NASA та Airbus розглядали Li-S як один із небагатьох способів досягти необхідних 500 Вт·год/кг для практичних електричних пасажирських літаків businessaviation.aero — успіх їхнього проєкту SABERS натякає на появу регіональних електролітаків на горизонті, що використовують сірчані батареї. Електричні літаючі таксі та дрони також отримають вигоду; Theion прямо згадував літаючі транспортні засоби як цільовий сегмент reuters.com. Окрім Li-S, навіть алюмінієво-повітряні батареї мають роль в електромобілях: вони можуть слугувати модулем-розширювачем запасу ходу, який активується для далеких поїздок. Уявіть електромобіль із невеликою літій-іонною батареєю для щоденних поїздок і алюмінієво-повітряною «допоміжною батареєю», яку ви поповнюєте (заміна алюмінію) лише під час 1000-кілометрової подорожі. Такі гібридні архітектури акумуляторів розглядаються в проєктах Indian Oil/Phinergy та інших. Варто зазначити, що масові електромобілі не перейдуть на абсолютно нову хімію за одну ніч — необхідно довести безпеку, довговічність і швидку зарядку — але наприкінці 2020-х цілком можливо, що преміальні моделі або спеціалізовані транспортні засоби можуть отримати батареї нового покоління. Якщо це станеться, це може підняти продуктивність електромобілів на новий рівень (запас ходу 500+ миль, дуже швидка зарядка, легші автомобілі) і зменшити залежність від критичних мінералів, що дозволить масштабніше впровадження електромобілів без дефіциту ресурсів.
• 📱 Портативна електроніка та носимі пристрої: Ваш майбутній смартфон або ноутбук також може отримати переваги від сірчаних або алюмінієвих акумуляторів, хоча для цих застосувань потрібен тривалий термін служби та низький саморозряд (у чому зараз переважають літій-іонні батареї). Літій-сірчаний акумулятор міг би дозволити вашому телефону працювати кілька днів між підзарядками – згадайте концепцію Monash University про телефон, який працює 5 днів на Li-S батареї advancedsciencenews.com. Економія ваги менш критична для телефону, але енергетична щільність – дуже важлива. Одна з проблем тут у тому, що споживчі гаджети розраховані на сотні циклів і роки календарного життя; Li-S потребує ще доопрацювання, щоб цього досягти. Проте ми можемо побачити, як нішеві гаджети або носимі пристрої впроваджують їх, якщо вони дають переваги у форм-факторі. Алюмінієві батареї, особливо гнучкі конструкції, як у Стенфорда, можуть дозволити створювати складані або рулонні гаджети. Наприклад, алюмінієво-іонний акумулятор, який є гнучким, можна інтегрувати у ремінець смарт-годинника або у розумний одяг. Також, оскільки Al-ion можна зробити дуже безпечними (без ризику займання), їх можна вбудовувати у пристрої без громіздких захисних корпусів, можливо, навіть дозволяючи більш креативний промисловий дизайн. Це поки що припущення, але з удосконаленням виробництва споживча електроніка може стати важливим ринком (адже саме вона стала рушієм початкового зростання літій-іонних батарей у 1990-х).
• ⚡ Інфраструктура швидкої зарядки: Менш очевидне, але важливе застосування – використання цих нових акумуляторів для забезпечення швидкої зарядки електромобілів і стабілізації мережі. Як зазначив професор Садовей, якщо багато електромобілів намагаються заряджатися одночасно (наприклад, кілька машин на трасі на зупинці), попит на потужність різко зростає і перевищує те, що електромережа може легко забезпечити news.mit.edu. Замість модернізації ліній електропередач розумніше встановити акумуляторний буфер на зарядних станціях – акумулятор повільно заряджається від мережі, а потім швидко віддає енергію автомобілям, коли це потрібно. Для таких буферних батарей найважливіші вартість і безпека, а вага менш критична. Це робить алюмінієво-сірчані або натрій-сірчані акумулятори ідеальними кандидатами. Вони знаходяться на місці, дешево зберігають енергію, не загоряються і можуть швидко віддавати заряд. Садовей спеціально зазначив, що системи Al-S можуть «усунути необхідність встановлення дорогих нових ліній електропередач» для кластерів швидких зарядних станцій news.mit.edu. По суті, ці акумулятори можуть діяти як амортизатори для електромережі, поглинаючи надлишкову енергію і віддаючи її за потреби – чи то для пікових навантажень при зарядці електромобілів, чи для балансування коливань у виробництві відновлюваної енергії.
• 🏭 Промисловий та комерційний резерв: Так само, як телекомунікаційні вежі використовують алюмінієво-повітряні батареї для резервного живлення, інші галузі промисловості та комерційні об’єкти можуть використовувати алюмінієві або сірчані батареї для забезпечення надійності та зменшення залежності від дизельних генераторів. Наприклад, дата-центри потребують батарей, які є безпечними, мають тривалий термін резервного зберігання та є економічно вигідними у великих масштабах – можна уявити собі кімнати з натрій-сірчаними батареями, які замінюють банки літій-іонних або свинцево-кислотних батарей, що зараз використовуються для ДБЖ (джерел безперебійного живлення). У віддалених або автономних місцях дешеві батареї, які не потребують частих замін, є надзвичайно цінними (менше виїздів на обслуговування). Алюмінієво-сірчані батареї, які прогнозуються як дуже дешеві за кВт·год, можуть дати змогу створювати мікромережі у сільських або острівних громадах у поєднанні з сонячною/вітровою енергією, щоб забезпечити цілодобове електропостачання без надмірних витрат.
• 🚀 Аерокосмічна галузь і оборона: Висока ефективність цих батарей природно приваблює для аерокосмічних і оборонних застосувань. Як зазначалося, супутники та висотні дрони (псевдосупутники) успішно використовували Li-S завдяки їхній малій вазі та хорошій роботі при низьких температурах (космічні батареї часто працюють у холоді). Армія США зацікавлена у легших батареях для солдатів (щоб зменшити тягар носіння багатьох кілограмів літій-іонних акумуляторів) – сірчана батарея може значно полегшити це навантаження. Крім того, оскільки сірчані батареї не містять сполук, що виділяють кисень (на відміну від літій-іонних, які можуть виділяти O₂ при тепловому розгоні), вони можуть бути безпечнішими у закритих середовищах, таких як підводні човни або космічні апарати. Алюмінієво-повітряна батарея може слугувати джерелом живлення під водою для безпілотних підводних апаратів з тривалим часом роботи, де дозаправка алюмінієм є можливою. Оборонний сектор часто виступає раннім користувачем передових технологій, які згодом стають масовими, тому їхні інвестиції в технології алюмінієвих і сірчаних батарей можуть прискорити розвиток. Насправді, початкові проєкти Lyten у 2024–25 роках із ринками космосу, дронів і оборони натякають, що оборонні контракти допомагають довести технологію lyten.com перед ширшим споживчим використанням.

У всіх цих сферах застосування загальний вплив полягає у прискоренні чистого енергетичного переходу. Завдяки зниженню вартості батарей і звільненню від обмежень ланцюга постачання літій-іонних акумуляторів, алюмінієві та сірчані батареї можуть зробити електромобілі доступнішими для більшої кількості людей (що критично для декарбонізації транспорту), зробити відновлювану енергію надійнішою та поширенішою (що критично для декарбонізації електроенергетики), а також створити нові можливості, такі як електричні польоти. Вони також мають екологічні переваги у використанні: наприклад, заміна дизельних резервних генераторів на алюмінієво-повітряні або натрій-сірчані батареї зменшує місцеве забруднення повітря та викиди CO₂. Якщо технологія виправдає свої обіцянки, світ може побачити дешевші електромобілі, стійкіші чисті енергомережі та зменшення видобутку рідкісних металів – позитивний зворотний зв’язок як для економіки, так і для довкілля.

Економічні та екологічні наслідки

З економічної точки зору, алюмінієві та сірчані батареї можуть стати революційними у найкращому сенсі: знизити вартість зберігання енергії та диверсифікувати ланцюжок постачання. Батарея становить значну частину вартості електромобіля або системи відновлюваної енергії, тому дешевші батареї означають дешевші продукти та швидше впровадження. Аналітики відзначають, що такі матеріали, як алюміній і сірка, коштують лише малу частку від вартості літію, нікелю чи кобальту. Наприклад, за однією оцінкою, вартість матеріалів для алюмінієво-сірчаних елементів становить лише ~15% від еквівалентного літій-іонного елемента news.mit.edu. Якщо ці заощадження перейдуть у виробництво, ми можемо побачити, як ціни на батареї (за кВт·год) впадуть значно нижче поточної кривої навчання літій-іонних батарей. Дешеве зберігання може стимулювати економічне зростання, відкриваючи нові бізнес-моделі (наприклад, більше сонячних електростанцій, проєкти громадського зберігання тощо) і знижуючи витрати на енергію для споживачів (уявіть, що ви заряджаєте домашню батарею щодня вдень від сонця і ніколи не платите пікові тарифи мережі).

Є також геополітичний аспект: виробництво літій-іонних батарей сьогодні сильно сконцентроване (Китай домінує у виробництві елементів, а такі країни, як ДРК, постачають ключові мінерали). Алюміній, однак, виплавляється по всьому світу (а переробка також забезпечує локальне джерело), а сірка є всюдисущою. Багато країн, які не мають ресурсів літію, мають потужні алюмінієві індустрії (наприклад, Індія, як ми бачили на прикладі IOC Phinergy). Тож батареї на основі алюмінію можуть дозволити більшій кількості країн створювати власні батарейні індустрії без залежності від імпортованого літію чи кобальту. Така диверсифікація може знизити глобальні ризики ланцюжків постачання та зробити перехід до електромобільності й відновлюваної енергетики більш стійким до дефіциту чи політичної нестабільності. У Неваді запланований завод Lyten є прикладом – використання сірки, видобутої у США, і складання батарей на місці lyten.com відповідає політиці повернення виробництва батарей у країну та створення місцевих робочих місць (вони прогнозують 1 000 робочих місць на повному масштабі лише на цьому заводі lyten.com).

З екологічної точки зору, ці батареї мають кілька переваг:

• Нижчий вуглецевий слід: Виробництво батарей енергоємне, але сірчані та алюмінієві батареї можна виготовляти з менш складною обробкою. Переробка кобальту та нікелю особливо вуглецево-інтенсивна. Відмовившись від них, виробники можуть знизити викиди CO₂ на кВт·год батареї. Theion заявляє про зменшення вуглецевого сліду на 2/3 для своїх сірчаних батарей порівняно з літій-іонними reuters.com. Крім того, сірку можна отримувати як відходи (фактично з нульовими додатковими викидами вуглецю), а переробка алюмінію використовує лише ~5% енергії порівняно з первинним виробництвом – тому використання переробленого алюмінію в батареях значно зменшить їхню енергоємність.
• Переробка та кінець життєвого циклу: Алюміній вже є одним із найбільш перероблюваних матеріалів (згадайте алюмінієві банки). Існує інфраструктура для переплавки алюмінієвого брухту та його повторного використання. Якщо алюмінієві батареї стануть поширеними, можна уявити, що використані алюмінієві аноди будуть регулярно збиратися та перероблятися з високою ефективністю – циркулярна економіка для металу батареї. Сірку, у контексті батарей, може бути складніше переробити безпосередньо з елементів (особливо якщо вона зв’язана у сполуках), але оскільки вона дешева і нетоксична, навіть якщо вона потрапить на звалище, це не така велика екологічна загроза, як, наприклад, свинець або кадмій у старих батареях. Дослідники можуть знайти способи відновлення сірки або перетворення відходів сірки з батарей на корисні хімікати (сірка також використовується у добривах, наприклад). Відсутність важких металів у цих батареях означає менше токсичних електронних відходів у разі їх неналежної утилізації, і, в ідеалі, легше поводження на переробних підприємствах.
• Зменшення впливу видобутку: Видобуток літію, кобальту та нікелю має значний екологічний та соціальний вплив – від використання води при видобутку літію з розсолів, до знищення середовища існування та забруднення навколо нікелевих шахт, до проблем дитячої праці на деяких кобальтових рудниках. Зменшуючи або усуваючи потребу в цих матеріалах, алюмінієві та сірчані батареї можуть зменшити цей тиск. Алюміній не є повністю безпечним (видобуток бокситів і виплавка алюмінію мають свої проблеми, такі як відходи червоного шламу та велике споживання електроенергії), але ці процеси добре регулюються в багатьох країнах, і технології покращуються (наприклад, інертні аноди для виплавки алюмінію для зменшення викидів). І знову ж таки, переробка алюмінію значно зменшує потребу у новому видобутку. Використання сірки здебільшого полягає у повторному використанні вже існуючого побічного продукту – це може навіть вирішити проблему (величезні запаси сірки), а не створити нову.
• Безпека та здоров’я: Пожежі батарей були проблемою для літій-іонних батарей, оскільки при горінні Li-ion виділяються токсичні випари і можуть виникати пожежі, які важко загасити (як показали деякі випадки пожеж електромобілів). Негорючі батареї означають менше випадків пожеж, що є перемогою для безпеки суспільства. Це також означає безпечніше поводження з батареями під час транспортування та на металобрухті. Наприклад, списані електромобілі з літій-іонними батареями становлять пожежну небезпеку у разі пошкодження; електромобіль з алюмінієво-сірчаним акумулятором може бути набагато безпечнішим для розбирання. Так само і в споживчих пристроях – менше пристроїв, що вибухають або загоряються (згадайте сумнозвісні пожежі телефонних батарей), є корисним для громадського здоров’я та довіри до батарейних технологій.
• Чисте резервне живлення: У місцях, які зараз залежать від дизельних генераторів для резервного або віддаленого живлення (острови, аварійні укриття, телекомунікаційні вежі), заміна їх на алюмінієво-повітряні або натрій-сірчані батареї усуває спалювання дизельного пального, що означає відсутність викидів парникових газів, відсутність забруднення твердими частинками і відсутність шуму. Це пряме покращення для довкілля та якості життя. Наприклад, телекомунікаційні вежі, що працюють на алюмінієво-повітряних батареях в Індії, не будуть виробляти локальних викидів, тоді як дизельні генератори сприяють забрудненню повітря та викидам вуглецю.

У підсумку, алюмінієві та сірчані батареї мають потенціал демократизувати зберігання енергії – зробити його доступним і екологічно безпечним настільки, що ми зможемо використовувати батареї всюди, де це потрібно для забезпечення чистого енергетичного майбутнього. Вони не стануть панацеєю (ймовірно, ми будемо використовувати різні типи батарей), але їх поява на ринку може знизити вартість і змусити всіх виробників батарей покращувати стійкість.

Звісно, економічний успіх цих батарей не гарантований; вони повинні довести, що їх можна виготовляти дешево і що вони надійно працюють у великих масштабах. Але нещодавні інвестиції та успіхи прототипів дуже обнадійливі. Якщо їм вдасться, вигода буде не лише у здешевленні електромобілів чи покращенні гаджетів – це стане суттєвим зменшенням екологічного впливу нашого використання батарей і поштовхом для глобальних зусиль із декарбонізації.

Висновок: Яскраве майбутнє, заряджене звичайними елементами

Алюмінієві та сірчані батареї, які колись вважалися аутсайдерами, стрімко наближаються до комерційної реальності. Ці батареї втілюють переконливу ідею: використовувати простi, доступнi інгредієнти, щоб вирішувати складні енергетичні проблеми. За останні кілька років досягнення в хімії та матеріалознавстві значно наблизили цю ідею до втілення. Зараз у нас є прототипи алюміній-сірчаних елементів, які можуть швидко заряджатися за лічені хвилини та працювати тисячі циклів nature.com, літій-сірчані батареї, які досягають енергетичної щільності, про яку десять років тому лише мріяли reuters.com, і навіть алюміній-повітряні системи, що вже починають працювати у реальних умовах, забезпечуючи чисту енергію evreporter.com.

Відмова від залежності від рідкісних металів і дорогого імпорту на користь батарей із «копійчаних» елементів, таких як Al і S, може змінити індустрію батарей так само, як кремній змінив електроніку – забезпечивши масштабування та зниження вартості. Як жартував Садовей, ці нові батареї мають «усе, про що ви мріяли б у батареї: дешеві електроди, хорошу безпеку, швидку зарядку, гнучкість і тривалий термін служби» news.stanford.edu. Ще залишаються деякі недоліки, які треба усунути, але напрямок розвитку очевидний.

У найближчі роки ми можемо очікувати новин про пілотні впровадження (можливо, сонячна електростанція в Каліфорнії використовуватиме алюміній-сірчані елементи MIT, або дрон на акумуляторі Lyten Li-S встановить рекорд витривалості). Зі зростанням виробництва вартість ще більше знизиться, а будь-які технічні недоліки – чи то термін служби, чи робоча температура – ймовірно, будуть вирішені завдяки інтенсивним дослідженням, що зараз ведуться по всьому світу.

Для широкого загалу вплив може відчуватися непомітно, але суттєво: електромобіль стане дешевшим і проїжджатиме більше, смартфон триматиме заряд усі вихідні, район залишатиметься зі світлом завдяки батареї під час аварії на мережі, і все це – з матеріалів, таких же звичних, як алюмінієва фольга та садове добриво (сірка). Світовий попит на батареї лише зростає, і технології на основі алюмінію та сірки гарантують, що ми зможемо задовольнити цей попит стійко.

Як один із науковців, залучених до вдосконалення цих батарей, оптимістично зазначив: «Ці результати демонструють … величезний вплив на розвиток [батарей]. Ми на крок ближче до того, щоб побачити цю технологію у нашому повсякденному житті». anl.gov Дійсно, майбутнє, у якому наше життя живиться алюмінієм і сіркою – двома з найнепримітніших елементів Землі – вже чітко вимальовується на горизонті. Революція у зберіганні енергії вже триває, і вона будується на основі звичайної хімії, інноваційної інженерії та нагальної потреби у чистішому, дешевшому енергетичному майбутньому.

Джерела: Інформація та цитати у цьому звіті взяті з нещодавніх авторитетних джерел, включаючи рецензовані дослідження, прес-релізи університетів, новини індустрії та репортажі Reuters. Основні посилання включають MIT News про алюмінієво-сірчану батарею news.mit.edu, прориви Argonne National Lab у літій-сірчаних технологіях anl.gov, висвітлення розробок Theion і Lyten агентством Reuters reuters.com, lyten.com, а також інтерв’ю з лідерами галузі (наприклад, генеральний директор Phinergy про переваги алюмінієво-повітряних батарей evreporter.com). Ці та інші посилання по тексту надають детальні підтвердження наведеним твердженням.