Natrij ionske baterije ali lesene baterije?

Pred približno osmimi leti je velik proizvajalec papirja na Finskem ugotovil, da se svet spreminja. Zaradi vzpona digitalnih medijev, upada pisarniškega tiskanja in vse manjše priljubljenosti pošiljanja pošiljk po pošti – med drugimi dejavniki – je papir začel vztrajno upadati. Kako smo prišli od upada papirja do lesenih baterij in kaj imajo s tem natrij ionske baterije?

Lesene baterije za električne avtomobile?

Podjetje Stora Enso na Finskem se opisuje kot »eden največjih zasebnih lastnikov gozdov na svetu«. Veliko količino dreves uporablja za izdelavo lesnih izdelkov, kot sta papir in embalaža. Zdaj želi izdelovati tudi baterije – baterije za električna vozila, ki se napolnijo že v osmih minutah.

Podjetje je najelo inženirje, ki so preučili možnost uporabe lignina, polimera, ki ga najdemo v drevesih. Odvisno od vrste drevesa je le to sestavljeno iz približno 30 odstotkov lignina, preostanek pa je večinoma celuloza.

»Lignin je lepilo v drevesih, ki nekako zlepi celulozna vlakna skupaj in naredi drevesa zelo toga,« pojasnjuje Lauri Lehtonen, vodja rešitve podjetja Stora Enso za baterije na osnovi lignina, Lignode.

Lignin je polimer, ki vsebuje ogljik. In ogljik je odličen material za pomembno sestavino v baterijah, ki se imenuje anoda. Litij-ionska baterija v telefonu ima ponavadi grafitno anodo – grafit je oblika ogljika s plastovito strukturo.

Inženirji podjetja Stora Enso so se odločili, da lahko iz odpadne celuloze, ki jo že proizvajajo v nekaterih svojih obratih, pridobijo lignin in ga predelajo v ogljikov material za anode baterij. Podjetje sodeluje s švedskim podjetjem Northvolt in načrtuje proizvodnjo baterij že leta 2025.

Ker vse več ljudi kupuje električne avtomobile in shranjuje energijo doma, se pričakuje, da se bo svetovni povpraševanje po baterijah v prihodnjih letih močno povečalo. Lehtonen meni, da je »povpraševanje naravnost neverjetno«.

Vsako leto potrebnih nekaj sto dodatnih gigavatnih ur

Po podatkih svetovalnega podjetja McKinsey je bilo leta 2015 v okviru svetovnih zalog baterij vsako leto potrebnih nekaj sto dodatnih gigavatnih ur (GWh), do leta 2030 pa bo ta potreba narasla na nekaj tisoč dodatnih GWh letno, saj se bo svet oddaljeval od fosilnih goriv. Težava je v tem, da so litij-ionske baterije, na katere se danes zanašamo, v veliki meri odvisne od okolju škodljivih industrijskih procesov in rudarjenja. Poleg tega so nekateri materiali za te baterije strupeni in jih je težko reciklirati. Veliko jih je pridobljenih tudi v državah s slabimi razmerami na področju človekovih pravic.

Pri proizvodnji sintetičnega grafita se na primer ogljik več tednov segreva na temperaturo do 3000 stopinj Celzija. Po podatkih svetovalnega podjetja Wood Mackenzie energija za to pogosto prihaja iz elektrarn na premog na Kitajskem.

Iščejo se trajnostni materiali za baterije

Iščejo se trajnostni materiali za baterije, ki bi bili bolj dostopni. Nekateri pravijo, da jih lahko najdemo v drevesih.

Na splošno vse baterije potrebujejo katodo in anodo – pozitivno oziroma negativno elektrodo, med katerima se pretakajo nabiti delci, imenovani ioni. Ko se baterija napolni, se na primer litijevi ali natrijevi ioni prenesejo s katode na anodo, kjer se usedejo kot avtomobili na večnadstropnem parkirišču, pojasnjuje Jill Pestana, kalifornijska znanstvenica in inženirka za baterije, ki trenutno dela kot neodvisna svetovalka.

»Glavna lastnost, ki jo želite pri tej parkirni strukturi materiala, je, da zlahka sprejme litij ali natrij in ju pusti, da odideta, pri tem pa se ne drobi,« pojasnjuje.

Ko se baterija izprazni, da bi napajala nekaj, kot je električni avtomobil, se ioni po sprostitvi elektronov premaknejo nazaj v katodo – elektroni se premikajo po žici v električnem krogu in prenašajo energijo v vozilo.

Pestana pravi, da je grafit spektakularen material, ker se dobro obnese kot zanesljiva anoda, ki omogoča takšne reakcije. Alternativni materiali, vključno z ogljikovimi strukturami, pridobljenimi iz lignina, se morajo boriti, da dokažejo, da so kos tej nalogi.

Več podjetij, ki raziskujejo potencial lignina

Vendar pa obstaja več podjetij, ki raziskujejo potencial lignina pri razvoju baterij, kot je Bright Day Graphene na Švedskem, ki iz lignina izdeluje grafen – drugo obliko ogljika.

Lehtonen hvali prednosti ogljikovega anodnega materiala svojega podjetja, ki ga je podjetje Stora Enso poimenovalo Lignode. Ni želela razkriti, kako natančno podjetje spremeni lignin v trdo ogljikovo strukturo in kakšna je ta struktura, le da je postopek povezan s segrevanjem lignina – vendar pri temperaturah, ki niso niti približno tako visoke, kot so potrebne za proizvodnjo sintetičnega grafita.

Pomembna lastnost nastale ogljikove strukture je, da je amorfna ali nepravilna, pravi Lehtonen: »Pravzaprav omogoča veliko večjo mobilnost ionov navznoter in navzven.«

Podjetje Stora Enso trdi, da bodo na ta način lahko izdelali litij-ionsko ali natrij-ionsko baterijo, ki jo je mogoče napolniti v samo osmih minutah. Hitro polnjenje je ključni cilj razvijalcev baterij za električna vozila.

Raziskave ogljikovih anod, pridobljenih iz lignina

Magda Titirici z britanskega Imperial Collegea v Londonu in njeni sodelavci so opravili ločeno raziskavo ogljikovih anod, pridobljenih iz lignina, ki kaže, da je mogoče izdelati prevodne preproge, ki vsebujejo zapletene, nepravilne ogljikove strukture z veliko okvar, bogatih s kisikom. Ti defekti povečujejo reaktivnost anode z ioni, ki se prenašajo iz katode v natrijevih ionskih baterijah, pravi Titirici, kar posledično skrajšuje čas polnjenja: »Ta prevodna podloga je fantastična za baterije.«

Wyatt Tenhaeff z Univerze Rochester v zvezni državi New York je prav tako izdelal anode, pridobljene iz lignina, v laboratorijskih pogojih. Pravi, da je lignin »res kul«, saj gre za stranski proizvod, ki ima lahko številne možnosti uporabe. V poskusih je s sodelavci ugotovil, da lahko iz lignina izdelajo anodo s samonosno strukturo, ki ne potrebuje lepila ali tokovnega kolektorja na osnovi bakra, kar je pogosta sestavina litij-ionskih baterij. Kljub temu, da bi to lahko zmanjšalo stroške ogljikovih anod, pridobljenih iz lignina, je skeptičen, da bi lahko komercialno konkurirale grafitnim anodam.

»Mislim, da to ne bo dovolj velik napredek v smislu stroškov ali učinkovitosti, da bi nadomestil uveljavljeni grafit,« pravi.

Vprašanje trajnosti

Obstaja tudi vprašanje trajnosti. Chelsea Baldino, raziskovalka pri Mednarodnem svetu za čisti promet, pravi, da dokler se lignin, ki se uporablja za proizvodnjo anod, pridobiva kot stranski produkt pri proizvodnji papirja, za proizvodnjo baterij ne bo treba sekati dodatnih dreves.

Tiskovni predstavnik podjetja Stora Enso potrjuje, da je trenutno ves lignin, ki ga podjetje uporablja, »stranski tok procesa proizvodnje celuloze« in da njegova uporaba ne povečuje števila posekanih dreves ali količine lesa, uporabljenega za proizvodnjo celuloze.

Vendar pa mora vsak, ki želi iz lignina izdelati anode, zagotoviti, da je tudi gozdarstvo, iz katerega se lignin pridobiva, trajnostno, dodaja Pestana. »Če industrija celuloze ni trajnostna, potem tudi sam material ni trajnostno pridobljen material,« pojasnjuje.

V skladu z letnim poročilom družbe Stora Enso za leto 2021 podjetje »pozna izvor vsega lesa, ki ga uporablja, in 100 odstotno prihaja iz trajnostnih virov«.

Poleg anod obstaja vsaj še en način, kako bi lahko lignin uporabili v baterijah. Aprila je raziskovalna skupina v Italiji objavila članek o svojih prizadevanjih za razvoj elektrolita na osnovi lignina. To je sestavina, ki se nahaja med katodo in anodo – pomaga pri pretoku ionov med elektrodama, hkrati pa sili elektrone, da uberejo želeno pot skozi električno vezje, na katero je baterija priključena.

Polimere za elektrolite lahko pridobivamo iz nafte

Polimere za elektrolite lahko pridobivamo iz nafte, pravi Gianmarco Griffini s Politehniške univerze v Milanu, vendar dodaja, da bi bilo koristno najti alternativne, trajnostne vire.

Pojasnjuje, da se je zamisel o uporabi lignina porodila, potem ko je s kolegi poskusil uporabiti ta material v solarnih panelih – z nekoliko slabšimi rezultati. »Učinki, ki jih dosežemo v sončnih celicah, so razmeroma omejeni, saj je lignin rjave barve, zato dejansko absorbira nekaj svetlobe,« pojasnjuje. Pri baterijah to ni pomembno.

Pri proizvodnji anod se lignin toplotno obdela, da se razgradi na ogljikove hidrate. Vendar Griffini, ki se sam označuje za »polimernega človeka«, pravi, da ga raje uporablja v polimerni obliki. Zato je s sodelavci razvil gelski polimerni elektrolit, ki je pomagal pri gibanju ionov v poskusni kalijevi bateriji. »Pravzaprav se je izšlo zelo dobro,« pravi.

Komercialna uporabnost vseh teh zamisli še ni dokazana. Vendar Titirici dodaja, da bi teoretično lahko izdelali baterijo, ki bi v elektrolitu uporabljala polimere iz lignina, v anodi pa ogljikove hidrate, pridobljene iz lignina.

Tilen Kemperle

Novinar