Świat zasilany akumulatorem

Mobilna energia to warunek funkcjonowania i rozwoju wielu dziedzin naszego życia.
W historii ludzkości niemal bez przerwy pojawiają się produkty, które wywierają głęboki wpływ na nasze życie. Jednym z nich jest bateria elektryczna, ale nie ta tradycyjna, znana od 150 lat, lecz, mówiąc dokładniej, akumulator litowo-jonowy. Mobilna energia płynąca z nich dała nam już nowe możliwości w każdej dziedzinie życia: od telefonów komórkowych po elektryczne hulajnogi – ale ma także znacznie rozleglejsze zastosowania, na przykład w medycynie. Nagrodę Nobla 2019 w dziedzinie chemii przyznano właśnie za badania nad akumulatorami.
Szybki rozwój technologii akumulatorowych zawdzięczamy modzie na walkmany i inne urządzenia służące rozrywce, popularne zwłaszcza w latach 70’ i 80’. To do tych urządzeń poszukiwano alternatywnego zasilania, gdyż jednorazowe, zwykłe baterie bardzo szybko wyczerpywały się. Okazało się, że akumulatorki litowo-jonowe mają dużo większy potencjał, ponieważ są energooszczędne, mają kompaktowe rozmiary i nie są podatne na szybką utratę pojemności.
Pierwsze akumulatory litowo-jonowe zostały wyprodukowane w 1983 r., a w 1991 r. zostały wprowadzone na rynek przez koncern Sony. Od tego czasu są one niepowstrzymane, o czym świadczą statystyki: w 2019 r. światowy rynek był wart ok. 40 mld euro. Oczekuje się, że do 2022 r. wartość ta wzrośnie do prawie 60 mld euro.
Na początku pojawiały się też jednak i problemy: akumulatorki litowo-jonowe były wysoce łatwopalne i podatne na zwarcia wewnątrz ogniwa. Naukowcy musieli zająć się tymi wyzwaniami. Przełom nastąpił dzięki wynikom badań Johna B. Goodenough’a (USA), M Stanley’a Whittinghama (Wielka Brytania) i Akiry Yoshino (Japonia), którzy otrzymali w 2019 roku wspomnianą Nagrodę Nobla z chemii. Dziś takie akumulatorki poprawiają jakość życia ludzi niemal wszędzie.
W dzisiejszych czasach nie ma prawie żadnego gadżetu elektronicznego, który nie jest zasilany akumulatorkami litowo-jonowymi. Są one lżejsze, mniejsze i bardziej wydajne, niż standardowe baterie niklowo-kadmowe lub niklowo-wodorkowe. Jest to istotny czynnik w przypadku artykułów gospodarstwa domowego. Także w fotowoltaice akumulatory litowo-jonowe okazały się przydatne do magazynowania energii ze względu na swoje rozmiary, długą żywotność i brak konieczności konserwacji. Ich standardowa żywotność w warunkach domowych wynosi 6000 cykli ładowania, co daje około 20 lat – mniej więcej tyle samo, co w przypadku systemu fotowoltaicznego.
Elektromobilność to kolejne, szerokie pole ich zastosowań. Akumulatory litowo-jonowe mogą być dodawane do siebie, co oznacza, że kilka z nich można połączyć w jeden silny pakiet energetyczny. Technika ta jest stosowana w niemal wszystkich rodzajach pojazdów, od rowerów elektrycznych, skuterów elektrycznych i Segways, do samochodów hybrydowych i elektrycznych a także autobusów. Niemożliwa byłaby ich praktyczna eksploatacja bez akumulatorów litowo-jonowych. Jednak w samochodach spalinowych wciąż królują tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe i nie zanosi się, by szybko zostały zastąpione innymi rodzajami.
Technologia litowo-jonowa jest obecnie niemal wszędzie i trudno byłoby ją zastąpić. Jednak w perspektywie pojawia się problem: czyli ograniczona dostępność surowców – przede wszystkim kobaltu i litu – która może stać się istotną przeszkodą w dłuższej perspektywie. Poza tym postępująca na świecie elektromobilność jest jednym z czynników zwiększających zapotrzebowanie na magazynowanie energii tak bardzo, że technologia litowo-jonowa prawdopodobnie nie będzie w stanie sama sprostać temu zapotrzebowaniu. Wreszcie, nauka i technika ciągle się rozwijają, więc rodzą się inne technologie, które mogą lepiej rozwiązywać takie kwestie jak wyższa wydajność i krótsze cykle ładowania.
Poszukiwanie alternatywnych rozwiązań jest zatem w toku. Jedną z opcji jest bateria z elektrolitem półprzewodnikowym, która nie zawiera płynów, a jedynie elektrolit półprzewodnikowy będący przewodnikiem elektrycznym. Naukowcy spodziewają sie, że osiągnie ona zasięg co najmniej 500 km dla pojazdów elektrycznych i naładuje się w ciągu zaledwie kilku minut. Obecnie badania koncentrują się na materiałach i efektywnych technikach produkcji. To jednak wciąż jeszcze pieśń odległej przyszłości.
Inną opcją może stać się akumulator magnezowy, który ma być mocniejszy, tańszy i bezpieczniejszy niż obecne akumulatory litowo-jonowe. Nie wspominając już o tym, że magnez jako surowiec jest tysiąc razy bardziej powszechny niż lit, a jest także i ekologiczny, bo łatwiejszy w recyklingu.
Z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju, istnieją plusy i minusy technologii litowo-jonowej. Z jednej strony jest ona wykorzystywana do celów takich jak pojazdy elektryczne i magazynowanie energii z systemów fotowoltaicznych – a są to kluczowe kroki w kierunku bardziej przyjaznej dla środowiska przyszłości. Z drugiej strony, akumulatory są obecnie używane aż zbyt powszechnie – nawet buty sportowe mają teraz światełka, a słomki są ozdabiane diodami LED!. Jest to sprzeczne z zrównoważonym rozwojem, mającym prowadzić w kierunku odpowiedzialnego korzystania z zasobów naturalnych. Recykling stanowi tu kolejny problem, ponieważ obecne metody są niewystarczające, aby poradzić sobie z dużą liczbą zużytych akumulatorów, zwłaszcza samochodowych na świecie.
Przewiduje się, że jeśli w jakiejś dającej się przewidzieć przyszłości zabraknie kobaltu i innych materiałów, to trzeba będzie je odzyskiwać. Takie rozwiązania są w trakcie opracowywania. Do odzysku kobaltu, niklu i miedzi można na przykład stosować topienie termiczne (nieobojętne niestety dla środowiska). Innym sposobem może być rozdrabnianie akumulatorów w w atmosferze azotu, co pozwoli łatwiej odzyskiwać z rozdrobnionego materiału grafit, mangan, nikiel i kobalt. Akumulator można następnie odtworzyć z emisją dwutlenku węgla o 40 proc. niższą niż przy produkcji nowej baterii od podstaw. Brzmi to efektownie, ale jeszcze daleko do takiej produkcji, która powinna zachowywać jakieś minimum efektywności ekonomicznej. Istnieje wiele innych teoretycznych koncepcji na te tematy. Cel jest ten sam – oszczędzać energię i ponownie wykorzystywać jak największą ilość surowców.
W opracowaniu jest też program „second life”, polegający na wykorzystaniu starych baterii do stacjonarnego magazynowania energii. Akumulatory w pojazdach elektrycznych po ośmiu lub dziewięciu latach nie działają już wystarczająco dobrze, aby spełnić wymagania dotyczące zasięgu, więc trzeba je wymienić – ale jednak nadal działają. Dlatego różni producenci samochodów zamierzają wykorzystywać akumulatory o zmniejszonej z powodu wieku pojemności, w dużych stacjonarnych magazynach energii. Jak widać, w technice akumulatorowej wiele się dzieje.