От време на време революционната технология сякаш спонтанно се появява от нищото и променя нашия свят. Динамит, пеницилин, рентгенови апарати и дори микровълни – това са примери за такива революционни случайни открития.
Е, тази година може да имаме още едно. Този път обаче е откритието има потенциал не само да революционизира начина, по който живеем, но и потенциално да спаси планетата ни от задаващата се промяна на климата, като отключи неуловима технология – литиево-серни батерии.
В продължение на десетилетия ние търсим най-добрата технология, която да захранва нашия модерен начин на живот и да позволи чисти технологии, като електрическите автомобили. От началото на 90-те години избраната технология за батерии е литиево-йонна.
Тя захранва всичко – от телефони и колите Tesla до резервни съоръжения за енергийна мрежа и дори сателити. Но въпреки факта, че ни въведе в 21-ви век, тази технология има някои сериозни недостатъци.
Първо, материалите, които са необходими за нейното изграждане, като кобалт, обикновено са много вредни за околната среда. Мините, от които се добива, унищожават огромни екосистеми и дори извличат токсични химикали. На практика има и хуманитарен въпрос, тъй като понякога условията на работа в тези мини са смъртоносни и се използва детски труд.
След това има проблем с жизнения цикъл. Ние изискваме по-бързо зареждане от нашите устройства. Това важи за всичко – от телефоните до автомобилите. А както всеки притежател на смартфон може да потвърди, литиево-йонните батерии бързо губят капацитет, ако ги зареждате многократно бързо.
Влошаването на батерията е сериозно притеснение, особено за света на електромобилите. Употребяваните електромобили понякога могат да бъдат безполезни, ако батерията свършва бързо, а смяната струва малко състояние. Като цяло това забавя приемането на електромобилите. Електронните отпадъци, които се генерират, също са сериозен проблем, който само се влошава.
Има и проблем с плътността. Литиево-йонните батерии са относително енергийно плътни, но все още са доста тежки, големи и обемисти. Това ограничава обхвата на електрическите автомобили, тъй като батериите са толкова тежки и прави батериите неприложими понякога – например за търговски електрически самолети и кораби.
Има дори риск от пожар при литиево-йонните батерии, тъй като повредената клетка може спонтанно да се запали и да гори интензивно. Просто погледнете какво се случи с някои от старите телефони на Samsung (Notepad 7) и Rimac EV, с който Ричард Хамънд катастрофира.
Има ли решение?
Поради всичко това учените от Drexel търсят чисто нов тип батерия, известна като литиево-сярна.
На повърхността изглежда, че литиево-сярната технология решава всички проблеми на литиево-йонните батерии. Тя използва много по-малко екологично вредни материали, може да бъде по-евтина за производство, може да е до три пъти по-енергийно плътна, което означава, че батерията ще е по-лека, и е много по-малко вероятно да се запали. Всичко това без компромис със скоростите на зареждане.
И така, каква е уловката? Защо вече ги нямаме на пазара?
Е, те имат един голям проблем. Докато литиево-йонната батерия може да бъде използвана за около 2000 цикъла на зареждане, литиево-сярната обикновено е ограничена само до половината на този брой. Така че, след година или две правилна употреба, литиево-сярната батерия е на практика мъртва.
За да разреши този проблем, екипът на Drexel опитва нови подходи към литиево-сярната технология, като променя съединенията в катода на батерията.
Целта им е да забавят химическата реакция, която създава полисулфиди, когато батерията се зарежда и разрежда. Тези кристали ефективно отстраняват сярата от електрода и в крайна сметка причиняват огромна загуба на капацитет. Забавянето им може да накара тези батерии да издържат по-дълго.
Но това, което откриват случайно, е нещо невероятно – химическа фаза на сярата, която спира разграждането на батерията! Те са толкова шокирани от това откритие, че е трябвало да проверят 100 пъти, за да се уверят, че не четат погрешно данните.
Тази химическа фаза е известна като моноклинна гама-фаза на сярата, но е била наблюдавана само в лаборатория, при високи температури – над 95°C. Това е първият път, когато се вижда на стайна температура.
В батерията тази фаза напълно спира реакцията, която създава полисулфиди. Това е толкова ефективно, че учените са успели да тестват батерията при 4000 цикъла на зареждане без спад в капацитета, което означава, че издържа поне два пъти по-дълго от литиево-йонната.
Също така си струва да се отбележи, че тяхната батерия е три пъти по-енергийно плътна от литиево-йонната и може да се зарежда също толкова бързо.
Да се каже, че това е забележително откритие, е огромно подценяване. Но тази нова фаза на сярата има и други предимства, като намаляване на разширяването на батерията и повишени граници на безопасност. С други думи, тази батерия има всички отличителни белези да стане на най-добрата батерия за масовия пазар и тези учени я откриха съвсем случайно.
Както при повечето случайни открития, учените все още не разбират какво всъщност се случва. Те все още не знаят защо се създава тази фаза на сярата или как да се гарантира, че тя няма да се промени. Така че са необходими допълнителни изследвания, за да се отговори на тези въпроси и да се разработи надеждна батерия, която може да се използва в милиарди компютри, електрически автомобили и други подобни.
Но чакането ще си струва, тъй като тези батерии ще тежат една трета от еквивалентните литиево-йонни и ще имат два пъти по-дълъг живот.
Полетите на къси разстояния, товарните плавателни съдове и пътническите фериботи ще имат технология, която ще им позволи да се захранват изцяло с електричество.
Това означава, че много по-бързи и по-ефективни електромобили, с обхват от хиляди мили, ще бъдат търговски жизнеспособни на подобна цена на днешните. Нещо повече, те всъщност ще бъдат полезни дори след 10 години, като драстично ще намаляват отпадъците и ще увеличат степента на усвояване.
Спестяването на тегло, дългият живот и конкурентната цена ще означават, че полетите на къси разстояния, товарните плавателни съдове и пътническите фериботи ще имат технология, която ще им позволи най-накрая да постигнат своите нисковъглеродни цели.
Накратко, литиево-серните батерии биха позволили на огромен набор от дейности да преминат към електрификация, което прави нулевите емисии много по-осъществими.
Още добри новини
Литият, сярата и другите материали, които изграждат тази нова батерия, са в изобилие по цялата земя. Това означава, че можем драстично да сведем до минимум екологичното въздействие от добива, както и да се осигури по-устойчива верига на доставки.
Но това не е краят на това откритие. Екипът на Drexel вече търси как да използва този пробив за производство на натриево-серни батерии. Като премахват нуждата от литий, те могат да направят батериите още по-екологични и да премахнат огромното затруднение във веригата на доставки, като гарантират, че навлизането на електромобилите може да продължи с главоломните скорости, които производителите на автомобили планират.
Това случайно откритие в Drexel има за цел да революционизира потреблението на енергия в света и да помогне на човечеството да премине към по-чисто, неутрално към въглерода общество. Да се надяваме, че екипът на Drexel може скоро да извади тази технология от лабораторията и да я предостави в ръцете на хората.
