У јавности владају многе недоумице и дезинформације када су у питању литијум-јонске батерије. Др Небојша Зец са Института „Хелмхолц“ у Минхену нуди стручни угао: зашто је литијум незаменљив, али свеједно треба трагати за алтернативама.
Литијум-јонске батерије су темељна чињеница савременог света: оне напајају већину преносних уређаја којима смо свакодневно окружени. Од прве комерцијалне литијум-јонске батерије коју је избацила компанија Sony сада већ давне 1991. године до данас, ове батерије су промениле начин на који радимо, читамо, учимо, комуницирамо, живимо, а полако мењају и начин на који се крећемо.
Литијум је најлакши метал у периодном систему елемената
Основни разлог за популарност литијума је физички: наиме, литијум је најлакши метал у периодном систему елемената, и налази се одмах након водоника и хелијума, који су при стандардним условима у гасовитом агрегатном стању. Густина литијума је изузетно мала, само 0,534 g/cm3 – поређења ради, чак и густина воде је скоро дупло већа, 1 g/cm3.
Због ове уникатне особине, литијумске батерије су омогућиле да, у поређењу са другим типовима батерија, исту количину енергије ускладиштимо у мањој маси и запремини материјала. Како то заправо изгледа?
Архитектура једне батерије
Готово све комерцијалне литијум-јонске батерије користе графит као аноду и металне оксиде (кобалт, никл или манган) или фосфат гвожђа као катодни материјал. Један типичан пример је батерија литијум кобалт оксид (LiCoО₂)/графит, где се извор литијума налази не у катоди или аноди, већ у виду јона у течном електролиту. У току пуњења и пражњења јони литијума „путују“ из катоде у аноду и обрнуто, и уграђују се у простор између слојева графита, односно оксида.
Пошто је кључна активност за рад батерије то „путовање“ јона од катоде до аноде, природа самих атома има изразито важну улогу. Ако погледамо атоме литијума, они су значајно мањи и далеко лакши од нпр. натријума (литијум има 7 грама по молу, а натријум 23).
У случају натријум-јона то утиче на њихову слабију покретљивост (тј. проводљивост), али и могућност уграђивања јона у структуре катоде и аноде.
Уколико бисмо отишли „даље“ у потрази са сировинама – ка нпр. магнезијуму, разлике постају још веће. Осим што је још већег радијуса и тежи него натријум, магнезијум има и веће позитивно –наелектрисање (Мg2+ ), док литијум има јединично наелектрисање (Li+ ).
То у значајној мери утиче на електростатичке интеракције међу компонентама електролита, и чини да је магнезијуму далеко теже да се ослободи анјона (негативно наелектрисаних јона) и молекула растварача, домогне се електроде и омогући пренос наелектрисања.
Све су ово фундаменталне потешкоће које потичу из саме природе ових материјала. Оне тешко могу да се превазиђу у лабораторији.
Питање цене
Ипак, у поређењу са нпр. натријумом који је први следећи алкални метал у периодном систему, литијума има далеко мање у Земљиној кори. Слична је ситуација и са елементима неопходним за електроде, као што су кобалт, никл, бакар, па чак и фосфор који је присутан у литијум-ферофосфатним катодама и електролитима.
Суочени са високом ценом литијума, али и последицама које екстракција литијума има по животну средину, истраживачи широм света раде на бројним алтернативама чији је циљ да замене литијум и друге ретке метале. Када говоримо о тим ретким металима, пре свега кобалту и никлу, батерије у којима су они замењени другим металима (нпр. у катодама на бази гвожђа тј. литијум-ферофосфат) су већ у широкој комерцијалној употреби. Али да ли је могуће напустити литијум?
Наду даје први аутомобил на натријум-јонске батерије недавно представљен у Кини. Процена је да би цена натријум-јонске батерије могла да буде 10-20% нижа у односу на литијум-јонске, пре свега због значајно ниже цене натријума, док су трошкови производње саме батерије и њених електрода на сличном нивоу. Поред натријума као алтернатива испитују се материјали на бази магнезијума, алуминијума, цинка, али је њихов пут да замене литијум и даље дуг и врло неизвестан.
Могу имати комплементарну улогу
Иако због њихових физичких особина није реално очекивати да ће нпр. натријум-јонске батерије надмашити литијум-јонске са становишта капацитета и аутономије, далеко од тога да су оне бескорисне. Уосталом, не морамо их нужно посматрати као да су конкуренција једно другом, већ могу имати комплементарну улогу: тамо где тежина и запремина батерије, капацитет по ћелији или брзина пуњења и пражњења нису пресудни могу да се користе јефтиније натријумове, тамо где јесу пресудни – литијумске.
Такође, натријум-јонске батерије би могле бити одлична алтернатива за возила краћег домета, јавни превоз и стационарне системе складиштења енергије из обновљивих извора – чиме би се, уосталом, уштедела значајна количина литијума и успорила експлоатација.
Питање одрживости
Како смањити негативне стране глобалне потребе за литијумом?
Једно од решења је свакако рециклажа која би значајно допринела смањењу утицаја на животну средину. У случају кобалта, бакра и никла тренутно се може поново искористити 90% материјала док је количина литијума која се поврати рециклажом око 65%. Сигурно је да ће у будућности тај проценат расти.
Батерије временом, у циклусима пуњења и пражњења, неизбежно губе део свог почетног капацитета. У аутомобилима литијум-јонска батерија достигне крај животног века када њен капацитет падне на око 80%. Уместо да се баце, ове батерије би и након тога могле да се прилагоде и нађу нову примену за стационарно складиштење електричне енергије, на пример из соларних панела или ветро турбина.
Да се разумемо, батерије чине само један део укупне количине метала и других ресурса који се употребе у производњи урађаја којима смо окружени. Ниједна алтернативна сировина неће решити дубљи проблем са којим смо суочени: једина заиста зелена алтернатива подразумева смањивање производње и експлоатације не само литијума, него ресурса у целини.
Морамо, другим речима, пронаћи компромис између комфора које нам ескплоатација ресурса доноси и бриге за околину и за будућност наших потомака.
Идеална батерија
У идеалном случају, користили бисмо заправо – чист метални литијум као аноду. Метални литијум има највећи теоријски специфични капацитет од 3860 мАх/г (милиампер часова по граму), што је оквирно 10 пута више од тренутно доступних комерцијалних литијум-јонских батерија.
Овакве батерије се зову литијум-метал батерије и некада су се заиста користиле као примарне (тј. непуњиве) батерије. Међутим, када су истраживачи и инжењери покушали да направе секундарне (пуњиве) батерије на овај начин, схватили су да метални литијум заправо не функционише.
Проблем је у томе што се, у току пуњења и пражњења једне батерије, део литијума ослобађа у виду литијумових јона и омогућава пренос наелектрисања, а затим се поново таложи на аноди.
То поновно таложење јона литијума на електроду није равномерно по целој површини, већ локално ствара тзв. „дендрите“, тј. иглице литијума, које потом након неколико циклуса пуњења и пражњења толико нарасту да пробију сепаратор између катоде и аноде, и доводе до кратког споја чиме губе своју функцију, и потенцијално изазвају катастрофалне последице у комбинацији са запаљивим растварачима у електролиту.
Међутим, овај проблем не треба погрешно схватити – није у питању проблем специфичан за литијум. Наиме, о осталим алкалним металима (као што су натријум, калијум, цезијум) у овом смислу не треба ни размишљати: у односу на литијум, они су далеко реактивнији и незгодни за руковање, јер изузетно бурно реагују у присутву воде тј. влаге.
У струци која се бави развојем нових батерија, наравно да је свима жеља да се свеједно некако ослободи потенцијал металног литијума, јер бисмо добили огромно побољшање перформанси батерије.
Један од начина да се реши проблем са дендритима, тј. иглицама су електролити у чврстом стању (тзв. батерије чврстог стања, solid-state), које уместо течног електролита користе гел или полимерни електролит који физички спречава формирање иглица.
Али проблем је у томе што су чврсти електролити по природи ствари далеко лошији јонски проводници – јони се једноставно споро крећу, и још увек се тражи начин како да се тај проблем реши. Досадашња решења практично не могу да испоруче довољно велику количину енергије одједном, јер је кинетика јона исувише спора.
