W oczekiwaniu na akumulatorowy przełom. Jony płonące w ogniwach innowacji
Przez lata naukowcy w laboratoriach od Doliny Krzemowej po Tokio poszukiwali nieuchwytnej mikstury chemikaliów, minerałów i metali, która pozwoliłaby pojazdom elektrycznym ładować się w ciągu kilku minut i pokonywać setki kilometrów na jednym ładowaniu. Do tego dołączano oczekiwanie znacznie niższej cenę niż dostępne obecnie baterie. Mówiąc inaczej, chodzi o to, by pojazdy elektryczne mogły konkurować z pojazdami napędzanymi paliwami kopalnymi pod względem wygody użytkowania i bić je cenowo.
W ciągu ostatniej dekady wiele razy słyszeliśmy przełomach i "rewolucjach" w technice akumulatorów. Jednak zmiany na korzyść, bo można o nich mówić mają w rzeczywistości powolny, stopniowy i zdecydowanie ewolucyjny charakter. Wciąż nie brakuje szumnych zapowiedzi, ale zarazem wciąż nie jest pewne, czy ogłaszane z hukiem "przełomy", spełnią obietnice swoich wynalazców. Krótszy czas ładowania i większy zasięg odbywają się zwykle kosztem żywotności baterii, wyjaśniał niedawno David Deak, były dyrektor wykonawczy Tesli. "Większość z tych nowych koncepcji materiałowych przynosi korzyści w wydajności, ale zawodzi w czymś innym", mówił.
Nadzieja z Marsa?
Być może przebijająca bariery innowacja przyjdzie z dziedziny, z której nie raz już do współczesnej techniki przychodziła, czyli w programów kosmicznych. NASA w ramach misji marsjańskiego łazika Perseverance przeprowadza eksperyment MOXIE, w którym wykorzystywany jest akumulator węglowo-tlenowy. Jego celem było wykorzystanie ogniwa do przekształcenia bogatej w dwutlenek węgla atmosfery Marsa w tlen i efektywnie powietrze nadające się do oddychania. Po włączeniu zasilania ogniwo to reaguje z dwutlenkiem węgla, rozszczepiając go na tlenek węgla i tlen, który może być następnie odessany do wykorzystania w innym miejscu.
W 2021 roku MOXIE jako pierwsze urządzenie w historii, wytworzyło zapas tlenu, który mógłby posłużyć bazie na Czerwonej Planecie, gdyby taka tam była. I to było wielkie osiągnięcie, jednak inżynierowie NASA zdali sobie z sprawę, że ogniwo może działać także w drugą stronę, wykorzystując tlen i CO do generowania prądu elektrycznego, a zatem może zostać wykorzystane do stworzenia czegoś w rodzaju baterii.
W 2018 roku Chris Graves, jedna z najważniejszych osób w projekcie MOXIE, opuścił NASA i założył firmę Noon Energy, której celem jest opracowanie baterii węglowo-tlenowych w wersji rynkowej, nie wymagającej stosowania metali ciężkich, gęstej energetycznie i taniej. Ogniwo Panasonic 21700, którego Tesla używa w Modelu 3 LR kosztuje około 151 dolarów za kWh, a jego gęstość objętościowa wynosi 247 Wh/l (watogodzin na litr). Węglowo-tlenowa bateria Noon ma kosztować 15 dolarów za kWh i mieć gęstość energii około 740 Wh/l. Firma twierdzi, że jej akumulator zużywa trzy razy mniej powierzchni na kWh niż baterie litowo-jonowe.
Jest oczywiście haczyk. Polega na tym, że pakiet Noon Energy może utrzymać ładunek tylko przez ok. sto godzin. Po tym czasie zaczyna się samoczynnie rozładowywać. Dzieje się tak, ponieważ tlenek węgla i tlen naturalnie reagują ze sobą, tworząc dwutlenek węgla. W tej sytuacji opracowywana przez Noon bateria węglowo-tlenowa nie może być przeznaczona do pojazdów elektrycznych. Mówi się o niej jako opcji magazynująco-buforującej dla odnawialnych źródeł energii na poziomie sieci. OZE dostarczają energię niestabilnie, raz mocno powyżej potrzeb, innym razem nie wystarczają do ich zaspokojenia. Rozwiązaniem jest magazynowanie. Produkt Noon Energy wydaje się niezłą alternatywą dla drogich akumulatorów.
Zamiast elektrolitów ciekłych - stałe
Od wielu lat jedną z najbardziej obiecujących innowacji, które mają "zrewolucjonizować" świat akumulatorów są ogniwa półprzewodnikowe. Stosowane dziś masowo akumulatory zazwyczaj wykorzystują elektrolity ciekłe. Elektrolit stały (All Solid-State Battery, ASSB), półprzewodnikowy, teoretycznie obiecuje znaczny wzrost gęstości energii. Jak doniósł w 2022 r. "Popular Mechanics", startup z Doliny Krzemowej o nazwie QuantumScape głosi, że stworzył półprzewodnikowy akumulator, który pozwala na przejechanie 640 km na jednym ładowaniu, a następnie naładowanie do 80 proc. w zaledwie 15 minut.
Po latach eksperymentów QuantumScape opracował materiał ceramiczny, którego dokładny skład jest tajemnicą a który oddzielać ma dodatnie i ujemne końce baterii, pozwalając jonom przepływać, jednocześnie unikając zwarć. Firma twierdzi również, że jej akumulatory półprzewodnikowe przy dłuższej żywotności będą tańsze, niż ogniwa litowo-jonowe i zapowiada, że będzie można kupić Audi lub Volkswagena z takimi akumulatorami już w 2024 r.
QuantumScape to jeden z wielu projektów akumulatorów ze stałym elektrolitem. Za niektórymi z nich stoją znane firmy, np. Nissan, który twierdzi, że jego własna wersja baterii półprzewodnikowych znajdzie się w pojazdach do 2028 r. Niewiele jednak wiadomo o tym, jak Japończycy chcą to osiągnąć. Podobno koncentrują się na stałym elektrolicie na bazie siarczków, który zawiera mechanizm "przeskakiwania", zwiększający szybkość i łatwość przemieszczania się jonów między katodą a anodą podczas ładowania i rozładowywania akumulatora.
Liderzy zespołu projektowego Nissana, Yoshiaki Nitta i Kenzo Oshihara, twierdzą jednak, że firma nie zdecydowała się jeszcze na wybór konkretnego składu chemicznego akumulatora. Sugerują, że Nissan może używać różnych chemikaliów ASSB do różnych samochodów. Toyota w 2021 r. ogłosiła 13,6 mld dolarów inwestycji we własny program rozwoju ogniw, który obejmuje także stałe, półprzewodnikowe. Rok później zapowiedziała, że pierwszy elektryk z baterią o stałym elektrolicie pojawi się na drogach w 2025 r. Na taka szybkość pozwolić ma plan zastosowania tych akumulatorów w hybrydach, z których Toyota jest najlepiej znana.
Obecnie prawie wszystkie pojazdy elektryczne opierają się na bateriach litowo-jonowych, litowo-metalowych lub nowszych różnych kombinacjach metalowych, np. niklowo-metalowo-wodorowych. Zgodnie ze statystykami organizacji EPA, stosowane na rynku akumulatory zapewniają średni zasięg niecałe 400 km na ładowanie, czyli dużo mniej niż pokonuje większość pojazdów zasilanych paliwami kopalnymi na jednym tankowaniu. Stałe elektr-lity ASSB w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, oferują teoretycznie znacznie większą gęstość energii. Najlepsze akumulatory litowo-jonowe mogą pochwalić się gęstością energii wynoszącą około 600 watogodzin na litr. QuantumScape oczekuje, że jej ASSB osiągnie średnią gęstość energii na poziomie 1000 watogodzin na litr. Zdaniem ekspertów, gdyby te obietnice te się spełniły, to średni zasięg elektryków na jednym ładowaniu zrównałby się z kilometrami na jednym tankowaniu benzyny lub oleju napędowego.
Producenci twierdzą, że ASSB będą bezpieczniejsze od tradycyjnych baterii, ponieważ elektrolity stałe są przeważnie niepalne, co obniża ryzyko pożaru i eliminuje potrzebę stosowania systemów zarządzania termicznego, stosowanych z ciekłym elektrolitem. Ponadto stały materiał ceramiczny używany jako elektrolit przez QuantumScape jest mniej podatny na tworzenie dendrytów, zjawiska, które jest plagą baterii opartych na licie, które polega na tym, że jony litu gromadzą się na anodzie baterii w ciągu wielu cykli ładowania, tworząc iglaste struktury które mogą spowodować zwarcie, utratę mocy, a nawet pożary. Chociaż prototyp ASSB firmy QuantumScape wciąż wymaga litu w swojej konstrukcji, firma zapewnia, że dendryty nie będą w niej zagrożeniem.
Z dendrytami zmaga się wiele ośrodków badawczych, nie tylko tych, które proponują rozwiązania ASSB. Parę lat temu zespołowi naukowców z Koreańskiego Instytutu of Nauki and Technologii (KIST) pod kierownictwem Joonga Kee, udało się zahamować wzrost dendrytów przez tworzenie ochronnych półprzewodnikowych warstw pasywacyjnych na powierzchni elektrod litowych. Zespół poddał fuleren (C60), materiał o wysokim przewodnictwie elektrycznym, działaniu plazmy, co spowodowało utworzenie półprzewodzących pasywacyjnych warstw węglowych pomiędzy elektrodą litową a elektrolitem.
Półprzewodzące warstwy pozwalają na przejście jonów litowych, blokując jednocześnie elektrony dzięki wytworzeniu tzw. bariery Schottky’ego, co zapobiega interakcji elektronów i jonów na powierzchni elektrody, powstrzymując tworzenie się kryształów litu i w konsekwencji wzrost dendrytów. Nowo opracowane elektrody wykazywały znacznie zwiększoną stabilność, dzięki czemu wzrost dendrytów Li został zahamowany do 1200 cykli.
Z kolei naukowcy z Uniwersytetu Tohoku w Sendai w Japonii znaleźli inny sposób na stabilizację osadzania litu w bateriach litowo-jonowych, pomagając zapobiegać tworzeniu się dendrytów, polegający na zastosowaniu wielowalencyjnych kationów w miksturze. Ich badania odnoszą się również do akumulatorów sodowych, do których jeszcze wrócimy.
Ogniwa ze stałym elektrolitem przynoszą to inne, nowe wyzwania. "W bateriach litowo-jonowych poświęcamy wiele wysiłku, aby kontrolować temperaturę w określonych zakresach. W akumulatorach półprzewodnikowych prawdopodobnie włożymy tyle samo wysiłku, by kontrolować ciśnienie", wyjaśniał w jednym z wywiadów Darren H.S. Tan, współzałożyciel startupu UNIGRID Battery. QuantumScape chce uniknąć tego problemu przez wprowadzenie korekty do konfiguracji warstw w ogniwie ASSB. Jedna z nich ma być ruchoma. Firma zapewnia, że przetestowała swoje baterie w różnych zakresach ciśnień i konfiguracja utrzymuje ten parametr pod kontrolą.
To, czy produkcja ASSB będzie kosztować więcej niż obecnych akumulatorów litowo-jonowych, jest kwestią dyskusyjną. Niektórzy producenci ASSB przewidują, że technologia ta obniży koszty produkcji pojazdów elektrycznych. Nissan twierdzi na przykład, że do 2028 r. koszt pakietów akumulatorów może zejść do zaledwie 75 USD/kWh, a w dłuższej perspektywie - 65 USD/kwh - mniej więcej połowa średniej ceny akumulatorów litowo-jonowych wynoszącej ok. 130 USD/kWh w 2021 r.
Jednak niektórzy analitycy są sceptyczni, biorąc pod uwagę przewidywane początkowe niskie liczby oddanych do użytku egzemplarzy i rosnące koszty surowców. Według wielu ekspertów, ASSB w przeliczeniu na kilowatogodziny jest bardziej materiałochłonna niż bateria litowo-jonowa. Ekonomiczną przeszkodą są także ogromne inwestycje w produkcję i infrastrukturę obecnie dominujących akumulatorów litowo-jonowych. General Motors wyda ponad 35 miliardów dolarów na rozwój pojazdów elektrycznych w ciągu najbliższych trzech lat, z czego znaczną część na własne akumulatory litowo jonowe Ultium. Nissan w zeszłym roku, pomimo zaangażowania w rozwój akumulatorów półprzewodnikowych, ogłosił, że w ciągu najbliższych pięciu lat wyda 17,6 miliarda dolarów na rozwój techniki Li-Ion.
Startupy z Doliny Krzemowej stawiają na… krzem
Na rynku innowacji akumulatorowych kipi od konkurencji ośrodków naukowych i startupów, takich jak np. Solid Power z Kolorado, ProLogium Technology z Tajwanu, czy SES, producent baterii z Singapuru, twierdzący, że jest na dobrej drodze do opracowania alternatywnej baterii litowo-metalowej, która może rywalizować z ASSB i dostarczenia jej na rynek w 2025 roku.
Pośrednio to Tesla jest matką licznych innowacji i startupów "bateryjnych" z Doliny Krzemowej. Firma Muska jest też matką całego przemysłu akumulatorów samochodowych. Firma wyszkoliła pokolenie ekspertów w tej dziedzinie, których wielu wybrało własną drogę. Charakterystyczne przykłady startupów z tej fali to Sila, Group14 Technologies, która ma wsparcie od Porsche, oraz OneD Battery Sciences. Wszystkie trzy firmy pracują nad techniką wykorzystującą w ogniwach krzem.
Teoretycznie krzem może pomieścić znacznie więcej energii na kg niż grafit, dzięki czemu akumulatory mogłyby być lżejsze i tańsze, szybciej się ładować. Wadą krzemu jest to, że po naładowaniu pęcznieje do trzykrotności pierwotnej objętości. Wymienione firmy zmagają się głównie z tym problemem. I chyba sobie jakoś radzą. W ub. roku Sila ogłosiła umowę na dostawę materiału krzemowego do ogniw w pojazdach Mercedes-Benz. Mercedes planuje wykorzystywać ten materiał w luksusowych pojazdach sportowo-użytkowych od 2025 roku. Porsche ogłosiło plany wykorzystania materiału krzemowego Group14 do 2024 roku.
Jeszcze inny startup, Enovix z Kalifornii w USA zademonstrował niedawno w ogniwach akumulatorów wykorzystujących krzem i lit, do pojazdów elektrycznych zdolność do ładowania do 80 proc. stanu naładowania w ciągu zaledwie 5,2 minuty i osiągnięcie ponad 98 proc. w czasie poniżej 10 minut. Jej ogniwa przekroczyły także liczbę tysiąca cykli ładowania/rozładowania zachowując 93 proc. swojej pojemności.
Anody krzemowe mogą teoretycznie przechowywać ponad dwa razy więcej litu niż anody grafitowe, które są obecnie stosowane w prawie wszystkich akumulatorach litowo-jonowych (1800 mAh/centymetr sześcienny w porównaniu z 800 mAh/centymetr sześcienny. Aby zapobiegać powiększaniu objętości ogniw w trakcie cykli ładowania, ogniwa Enovix są otoczone strukturą ograniczającą ze stali nierdzewnej. Jak zapewniają twórcy, udaje się im w ten sposób ograniczyć pęcznienie do zaledwie <2 proc. grubości ogniwa po pięciuset cyklach.
Alternatywy z haczykiem
Akumulatory to wciąż duże, stosunkowo nieporęczne zespoły ogniw gęsto ułożonych obok siebie lub na sobie. Źródło energii w Tesli Model 3 o dużym zasięgu zawiera 4416 ogniw i waży 480 kg w objętości 0,40 m³ przy gęstości energii 150 Wh/kg. Masa ogniw ten nie pełni żadnej funkcji mechanicznej. Przechowuje tylko energię. Co by było, gdyby funkcję magazynowania energii można było wpleść w ramę pojazdu lub budynku, zamieniając ślepą masę na pracujący, funkcjonalny element? Naukowcy z Chalmers University of Technology wyprodukowali w ostatnich ltach strukturalną baterię, która działa dziesięć razy lepiej niż wszystkie poprzednie wersje. Zawiera włókna węglowe, które służą jednocześnie jako elektroda, przewodnik i materiał nośny.
Prototypy "baterii strukturalnych" są wykonane z włókna węglowego i mają gęstość energii 24 Wh/kg, czyli wciąż znacznie mniej niż znane ogniwa litowo-jonowe. Jednak naukowcy szacują, że baterie te mogłyby ostatecznie osiągnąć gęstość energii nawet 75 Wh/kg, będąc jednocześnie tak wytrzymałe jak aluminium. To wciąż mniej niż stosowane obecnie w elektrykach akumulatory, ale z drugiej strony - nie jest to już "martwa masa", lecz element konstrukcji spełniający jakąś funkcję.
Inny kierunek poszukiwań badawczych to prace nad ostatecznym pozbyciem się litu. Dzięki zastosowaniu sodu w miejsce litu, udało się zbudować ogniwa, które nie wymagają metali ziem rzadkich i teoretycznie mogłyby działać nawet dziesięć razy dłużej niż dzisiejsze najnowocześniejsze baterie litowo-jonowe. Główny składnik może pochodzić z procesów odsalania wody, "solanki" obecnie produkt ubocznego. Co ciekawe, po zwiększeniu skali do przemysłowej, baterie te mogłyby same stać się techniką służącą do odsalania wody, o wiele bardziej wydajną i opłacalną niż stosowana obecnie metoda odwróconej osmozy.
Obecnie najbardziej chyba znany projekt "baterii sodowych" to projekt kalifornijskiej firmy o nazwie Natron. Twierdzi ona, że jej technika nadaje się już do zastosowań przemysłowych i ma ponad dziesięciokrotnie większą żywotność niż współczesne ogniwa litowo-jonowe. Obiecuje ładowania do 99 proc. w ciągu zaledwie ośmiu minut, oraz niewiarygodną żywotność ponad 50 tys. cykli plus niezwykłą stabilność termiczną. Jednak zanim wpadniemy w nadmierny entuzjazm, trzeba nadmienić, że póki co produkt firmy Natron cechuje znacznie niższa gęstość energii niż w ogniwach litowo-jonowych.
Litu na świecie jest dużo. Jednak inne materiały stosowane w ogniwach litowo-jonowych, takie jak nikiel, mangan i kobalt, nie są tak obfite. Ich wydobycie wiąże się nie tylko z problemami środowiskowymi, ale również wieloma innymi, geopolitycznymi, społecznymi itd. Akumulatory oparte na licie są doskonalone, ale wciąż mamy poczucie, że to technika obarczona wieloma problemami. W przeciwieństwie do litowo-jonowych, baterie sodowe nie wymagają dużej ilości kobaltu, manganu czy niklu. Zamiast nich mogą wykorzystywać łatwe w produkcji materiały. Oznacza to, że ich ślad węglowy i wpływ na środowisko są mniejsze w porównaniu z litowo-jonowymi. Oznacza to również, że koszty materiałów są znacznie niższe. To dlatego produkt firmy Natron, pomimo wciąż słabych parametrów, uznaje się za obiecujący. Nie do zastosowań samochodowych jednak, choć gęstość energii ogniw Natronu nie odbiega od wczesnych akumulatorów litowo-jonowych, które zasilały samochody takie jak Nissan Leaf i Zoe pierwszej generacji.
Jest inna potencjalna alternatywa - ogniwa wykonane z fluorku zamiast litu. Jony fluorkowe są lekkie, małe i bardzo stabilne. Fluorek jest tańszy od litu. W teorii, baterie fluorkowe (FIB) mogłyby przechowywać nawet dziesięć razy więcej energii niż dzisiejsze ogniwa litowo-jonowe. W przeciwieństwie do akumulatorów Li-Ion, FIB nie stanowią zagrożenia dla bezpieczeństwa z powodu przegrzania, a pozyskanie surowców dla produkcji FIB jest mniej obciążający dla środowiska.
Entuzjaści opowiadają o potencjalnych akumulatorach fluorkowych, że dałyby samochodom zasięgi nawet do ośmiu tysięcy km i sprawiłyby, że telefony będą działać całe miesiące bez ładowania. Problem z rozwojem baterii fluorkowych polega na tym, że znamy bardzo niewiele materiałów zdolnych do przewodzenia jonów fluoru. Naukowcy z Uniwersytetu Karoliny Płn. W Chapel Hill wykorzystali niedawno techniki uczenia maszynowego do przyspieszenia poszukiwań takich substancji. Jeden ze znalezionych związków o symbolu ZnTiF6, okazał się bardzo obiecującym rozwiązaniem, gdyż jest tani i ma doskonałe właściwości przewodzenia jonów fluorkowych.
Są jeszcze baterie cynkowe, również często przedstawiane jako obiecująca alternatywa dla baterii litowych. Jednakże nie są wolne od problemu wzrostu dendrytów w elektrolicie, co prowadzi do zwarć i grozi pożarami. Niedawno naukowcy z Chin wymyślili rozwiązanie tego problemu w postaci elektrolitu organicznego, który jest wykonany z glikolu etylenowego i hydratu tetrafluoroboranu cynku (Zn(BF4)2). Tworzą one warstwę ochronną, która strzeże przed tworzeniem się dendrytów. Powstały wodorowy elektrolit Zn(BF4)2/EG jest niepalny i pracuje w szerokim zakresie temperatur, od –30°C do 40°C.
Kolejny koncept oparty na aluminium, siarce i solach chloro-aluminiowych obficie występujących w naturze i tanich niesie obietnicę akumulatorów sześciokrotnie tańszych od równoważnej baterii litowo-jonowej. W testach przeprowadzonych w ramach projektu MIT, prototypowe ogniwa oparte na tych materiałach były w stanie w pełni naładować się w mniej niż minutę. Byłoby to zbyt piękne, gdyby nie było ale.. a w tym przypadku jest to fakt, że akumulatory te muszą pracować w przy 110°C, gdyż sól będąca elektrolitem ma najlepsze właściwości przewodzące właśnie w takiej temperaturze. Jednak zarazem ogniwo samo się nagrzewa, ponieważ ładowanie i rozładowywanie tworzy ciepło, więc w przeciwieństwie do litowo-jonowego, nie jest potrzebne zewnętrzne ogrzewanie. Brzmi niebezpiecznie, ale w przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych żaden z materiałów w tej baterii nie może się zapalić. Obliczenia pokazują, że baterie aluminiowo-siarkowe mogą mieć nawet 1392 Wh/kg gęstości energetycznej. To czyniłoby je pięciokrotnie gęstszymi energetycznie niż najlepsze dostępne obecnie na rynku. Gdyby Tesla zastosowała taką baterię w Modelu 3, akumulator ważyłby jedynie 96 kg, a nie 480 kg.
Form Energy, spółka zrodzona z innych proje-tów badawczych MIT, wspierana przez Jeffa Bezosa, proponuje z kolei baterie żelazowo-powietrzne. Technika ta jest zaskakująco prosta. Tlenek żelaza w proszku i roztwór na bazie wody są wsypywane do szczelnego pojemnika, który jest podłączony do wodorowego ogniwa paliwowego.
Aby naładować tę baterię, przez roztwór wodny przepuszczany jest prąd. Powoduje to, że tlenek żelaza zmienia się z powrotem w czyste żelazo i uwalnia tlen, z którym był związany. Aby rozładować, żelazo może wejść w reakcję z wodą i korodować. Oznacza to, że element tlenu w wodzie przyłącza się do żelaza, zamieniając je w tlenek żelaza, a część wodorowa wody zostaje uwolniona. Wodór ten trafia do ogniwa paliwowego, gdzie reaguje z tlenem uwolnionym podczas ładowania, tworząc energię elektryczną i wodę. Woda ta wraca do pojemnika, gotowa do ponownego naładowania baterii. Przedstawiciele Form głoszą, że udało im się obniżyć cenę za kWh do zaledwie 20 dolarów. Dla porównania, cena baterii litowo-jonowych wynosi około 150 dolarów za kWh. Baterie te nie nadają się do pojazdów elektrycznych. Są zbyt ciężkie i nie spełniają wymagań nowoczesnego szybkiego ładowania. Mogą jednak być jednak magazynami energii w instalacjach z OZE (2).
Grawitacja i przepływy
W ten sposób przeszliśmy do baterii o większej skali, czyli do magazynów energii. Pisaliśmy o tego rodzaju pomysłach i projektach niejednokrotnie w MT. Między innymi o tym, że są projekty przekształcenia opuszczonych kopalni w baterie grawitacyjne. W skrócie, byłby to system, w którym energia elektryczna jest magazynowana przez podnoszenie i generowana poprzez zwolnienie ciężkiego ładunku. Zgromadzona energia potencjalna jest uwalniana i wykorzystana w czasie, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną w sieci miejskiej jest wysokie.
W 2021 r. naukowcy z austriackiego International Institute of Applied Systems Analysis (IIASA) zaproponowali jeszcze inny rodzaj baterii grawitacyjnej. Podstawowy pomysł polegał na tym, że windy w wysokich budynkach wykorzystywałyby systemy hamowania regeneracyjnego do generowania energii elektrycznej podczas opuszczania obciążonych ładunków z wyższych na niższe piętra. Są to wszystko projekty pokrewne elektrowniom szczytowo-pompowym, będącym magazynami energii również opartymi na grawitacji, w tym przypadku wywołujące przepływy wcześniej wpompowanej do zbiornika wody.
Inny zyskujący ostatnio pewna popularność koncept, również wykorzystujący przepływy, to stacja jest wypełniona zbiornikami i pompami. To "bateria przepływowa", rzecz wynaleziona ok. cztery dekady temu przez profesor Marię Skyllas-Kazacos z australijskiego Uniwersytetu Nowej Południowej Walii. Na czym to polega? W konwencjonalnych bateriach metale i sole, które reagują w celu wytworzenia energii elektrycznej, znajdują się w jednym urządzeniu - anoda dostarcza elektrony do zewnętrznego obwodu z jednej strony, a katoda przyjmuje je z drugiej. Nazywa się to reakcją redukcji-utleniania lub reakcją redoks. Baterie przepływowe wykorzystują tę samą zasadę chemiczną. Są również nazywane bateriami redoks, ale ich struktura fizyczna jest inna. Najpierw jest reaktor, mieszczący anodę i katodę, gdzie zachodzi reakcja generująca energię elektryczną. Przez niego pompowany jest analit i katolit - dwa składniki roztworu elektrolitycznego. Ich stan utlenienia zmienia się, gdy stykają się z elektrodami. Elektrony i jony przenoszone są pomiędzy analitem a katolitem i przepływa prąd. Baterie mogą być ładowane i rozładowywane poprzez pompowanie elektrolitów tam i z powrotem.
Najbardziej obiecujące baterie przepływowe mają zarówno analit jak i katolit wypełniony rozpuszczonym wanadem, a dokładnie rzecz biorąc jonami V2+ i V3+. Przedstawiciele firmy Invinity, produkującej baterie wanadowe, bazując na przeprowadzonych testach, twierdzą, że ich baterie mogą pracować co najmniej 25-30 lat. Czy tak jest przekonamy się za ok. dwie i pół dekady, gdyż najstarsze instalacje w Australii działają nie dłużej niż pięć lat. Ogniwa tego typu mają mniejszą gęstość energii. Dlatego są to instalacje dużych rozmiarów. Stacja w Dalian może pochwalić się obecną mocą 100 MW/400 MWh, która docelowo zostanie rozbudowana do 200 MW/800 MWh. Pod koniec listopada 2022 r. firma energetyczna North Harbour Clean Energy ogłosiła plany stworzenia największej w Australii baterii przepływowej o mocy 4 MW/16 MWh we wschodniej Australii.
Niezależnie o jakim projekcie baterii, akumulatorów, czy magazynów energii mówimy, zawsze dochodzimy do konkluzji, że potrzeba jeszcze czasu, by przekonać się, czy te innowacja nas przekonują.
Mirosław Usidus
