Naključno, toda revolucionarno odkritje, ki lahko spremeni naš svet
Naključno odkrite tehnologije, ki so spremenile naš svet, so denimo rentgenski aparati, mikrovalovke, dinamit in penicilin. Srečno odkritje znanstvenikov z zasebne ameriške univerze Drexel ima dobre možnosti, da se uvrsti ob bok prej omenjenim tehnologijam in spremeni način, kako napajamo naš svet. Odkrili so namreč novo kemično fazo žvepla pri izmuzljivih litij-žveplovih baterijah, ki zaustavlja razgradnjo baterij.
To pomeni, da bi bile nove litij-žveplove baterije približno trikrat zmogljivejše v primerjavi z enako težkimi litij-ionskimi baterijami. Ali drugače povedano, litij-žveplove baterije bi lahko ponudile enako zmogljivost za le tretjino teže enakovredne litij-ionske baterije. Si predstavljate potencial, ki ga lahko ponudi takšna baterija?
Kot pri večini naključnih odkritjih, znanstveniki sicer še niso ugotovili, kaj se dejansko dogaja. Vendar lahko si predstavljamo, kako zelo bi tovrstne baterije pospešile industrijo električnih vozil in na splošno vse panoge, ki so za zdaj še odvisne od klasičnih litij-ionskih baterij. Verjetno ni treba posebej poudarjati, kako zelo bi nam to pomagalo tudi v boju proti podnebnim spremembam.
Litij-ionske baterije imajo nekaj resnih slabosti
Že desetletja iščemo najboljšo tehnologijo, ki bi poganjala naš sodobni življenjski slog in omogočila obsežen razvoj čiste tehnologije, kot so električni avtomobili. Od zgodnjih 90. let je bila za to nalogo izbrana tehnologija litij-ionskih baterij. Slednje napajajo vse, od telefonov in električnih vozil do naprav za varnostno kopiranje energetskega omrežja in celo satelitov. Kljub temu, da so nas pripeljale v 21. stoletje, pa imajo tudi nekaj resnih slabosti.
Prvič, materiali, ki so potrebni za njihovo izdelavo, kot je kobalt, so običajno zelo škodljivi za okolje. Uničujejo obsežne ekosisteme in celo izločajo strupene kemikalije. Poleg tega se v praksi pojavlja tudi vprašanje humanitarne narave, saj so delovni pogoji v nekaterih rudnikih smrtonosni in se v njih izkorišča otroško delo. Tu pa je še problem življenjskega cikla. Litij-ionske baterije lahko hitro izgubijo svojo polno zmogljivost, če jih večkrat hitro napolnimo.
Razgradnja baterij je resna skrb, zlasti v svetu električnih vozil. Rabljena električna vozila so lahko včasih neuporabna, če je baterija izrabljena, njena zamenjava pa stane pravo bogastvo. Na splošno to upočasnjuje uvajanje električnih vozil in pomeni, da se bodo tovrstni odpadki, ki so že zdaj velik problem, samo še povečali, navaja spletna stran Freethink.
Obstaja tudi težava z gostoto. Litij-ionske baterije imajo relativno veliko energije, vendar so še vedno precej težke, velike in okorne, kar omejuje doseg električnih avtomobilov in onemogoča njihovo uporabo v nekaterih panogah, kot so komercialna električna letala in ladje.
Zato so se znanstveniki na zasebni ameriški univerzi Drexel osredotočili na preučevanje litij-žveplovih baterij. Na prvi pogled se zdi, da litij-žveplova baterija rešuje vse težave litij-ionske baterije. Uporablja veliko manj ekološko škodljivih materialov, proizvodnja je lahko cenejša, ima lahko do trikrat večjo energijsko gostoto, kar pomeni lažjo baterijo, in je veliko manj verjetno, da se bo vžgala. Vse to brez zmanjšanja hitrosti polnjenja.
Zakaj jih torej še ne uporabljamo?
Da bi to rešili, je ekipa znanstvenikov z univerze Drexel preizkušala nove pristope k litij-žveplovi bateriji, in sicer s spreminjanjem spojin v katodi baterije, kot so opisali v članku za znanstveno revijo Nature. Njihov cilj je bil upočasniti kemijsko reakcijo, pri kateri med polnjenjem in praznjenjem baterije nastajajo polisulfidi. Ti kristali učinkovito odvzamejo žveplo iz elektrode in na koncu povzročijo veliko izgubo zmogljivosti. Če bi jih upočasnili, bi lahko podaljšali življenjsko dobo teh energetsko zelo bogatih baterij.
Vendar so namesto tega našli nekaj neverjetnega - kemično fazo žvepla, ki v bistvu ustavi razgradnjo baterije, navaja univerza na svoji spletni strani. Naključno odkritje so kar 100-krat preverili in potrdili, da bi se popolnoma prepričali v točnost rezultatov.
Ta kemična faza je sicer znana kot 'monoklinska gama faza žvepla', vendar so jo doslej opazili le v laboratoriju pri visokih temperaturah do 95 stopinj Celzija, tokrat pa prvič tudi pri sobni temperaturi. V bateriji ta faza popolnoma ustavi reakcijo, pri kateri nastanejo polisulfidi. To je bilo tako učinkovito, da so znanstveniki poslali baterijo skozi 4000 ciklov polnjenja brez padca zmogljivosti, kar pomeni, da zdrži vsaj dvakrat dlje kot litij-ionska.
Prav tako je treba omeniti, da je bila njihova baterija trikrat bolj energijsko gosta kot litij-ionska in se je lahko polnila enako hitro. Te baterije bodo tehtale tretjino enakovrednih litij-ionskih baterij in imele dvakrat daljšo življenjsko dobo. Toda ta nova faza žvepla ima tudi druge prednosti, na primer manjše širjenje in večje varnostne rezerve. Zdi se, da ima nova litij-žveplova baterija vse značilnosti vrhunske baterije za množično prodajo, navaja Freethink.
Kakšen potencial imajo nove baterije?
Znanstveniki sicer še niso odkrili, kaj se dejansko dogaja v procesu in še vedno ne vedo, zakaj nastane ta faza žvepla ter kako zagotoviti, da ostane takšna. Zato so potrebne nadaljnje raziskave, da bi odgovorili na ta vprašanja in tako razvili zanesljivo baterijo, ki bi jo lahko uporabljali v milijardah računalnikov, električnih avtomobilih, pametnih telefonih in podobno.
V praksi to pomeni, da bodo hitrejši in učinkovitejši električni avtomobili z dosegom več tisoč kilometrov komercialno izvedljivi po podobni ceni kot današnji električni avtomobili. Še več, dejansko bi bili uporabni še čez 10 let, kar bi bistveno zmanjšalo količino odpadkov in povečalo stopnjo sprejemanja električnih vozil.
Poleg tega bodo letala za kratke razdalje, tovorna plovila in potniški trajekti imeli tehnologijo, ki jim bo omogočila, da bodo v celoti električni. Zaradi manjše teže, dolge življenjske dobe in konkurenčne cene bodo ti sektorji končno lahko dosegli svoje nizkoogljične cilje. Skratka, litij-žveplove baterije bi lahko omogočile električno napajanje velikega števila dejavnosti, zaradi česar bi se veliko lažje borili proti podnebnim spremembam.
Kot da zgoraj navedeno še ni dovolj dobro, je litija, žvepla in drugih materialov, iz katerih je mogoče izdelati tovrstno baterijo, na voljo v izobilju po vsej Zemlji. To pomeni, da lahko drastično zmanjšamo ekološki vpliv rudarjenja in zagotovimo trdnejšo dobavno verigo. Znanstveniki z Drexla pa že stremijo k novim zmagam.
Preučujejo namreč možnost uporabe tega odkritja za izdelavo baterij iz natrija in žvepla. Z odpravo potrebe po litiju lahko naredijo baterije še bolj okolju prijazne in odpravijo ogromno ozko grlo v dobavni verigi, kar zagotavlja, da se bo uvajanje električnih vozil nadaljevalo z izjemno hitrostjo, ki jo načrtujejo avtomobilski proizvajalci.
Lahko torej le upamo, da bo ta tehnologija čimprej na trgu, da jo začnemo na inovativne načine izkoriščati za obsežnejši in hitrejši tehnološki napredek, kakor tudi za učinkovitejši boj proti škodljivim emisijam, ki jih spuščamo v naše ozračje.
Več iz rubrike
3D tisk pozitivno vpliva na gospodarstvo
Najpogosteje 3D tisk proizvaja slušne aparate, protetične pripomočke in tekaške copate.
Bomo trajnost dosegli z jedrsko fuzijo?
Znanstveniki dosegli stabilizacijo jedrskega zlivanja, kar je dober znak za prihodnost
