Bateriile Na-ion și K-ion (pe bază de sodiu și potasiu), marile rivale pentru Li-ion

baterii low cost na-ion k-ion - ecoprofit 0

 

Sodiul și potasiul, cu elementele chimice Na și K în tabelul lui Mendeleev, sunt două substanțe foarte comune, care se găsesc în general în săruri. Și care au un rol complementar în corpul uman: sodiul e răspunzător pentru aportul de apă în celule, iar potasiul extrage reziduurile din celulă. Principial, au un rol foarte important în regularizarea fluxului de sânge și al altor fluide, stimulează activitatea musculară și asigură funcționarea corectă a glandelor și inimii.

Dar nu despre sănătatea umană vorbim acum, ci despre faptul că sodiul și potasiul sunt electroliți. Și, mai mult decât atât, există din abundență pe Pământ, spre deosebire de litiu, care este foarte rar (cam 0,0017% din scoarța Terrei), deci și mai scump, dar și mai greu de procesat și de reciclat. Și totuși, sodiul și potasiul au fost ignorate pentru mult timp în domeniul producerii bateriilor, deși au proprietăți foarte bune în acest sens.

Bateria pe bază de sodiu – cele mai noi descoperiri

Principial, aproape jumătate dintr-o linguriță de sare constă din NaCl (clorură de sodiu), sursele cele mai comune de proveniență a sării fiind minele de sare sau apa oceanelor. Practic, sodiul se găsește în cantități de zeci de mii de ori mai mari în natură decât litiul, ceea ce reprezintă un avantaj imens în privința scăderii costurilor și utilizării pe scară largă în aplicațiile de stocare a energiei.

Dar cum rămâne cu proprietățile electrice ale sodiului? Ei bine, inventatorul bateriei litiu-ion, profesorul John Goodenough (care, hilar, s-ar traduce în ”Ion suficient de bun”…) de la Universitatea din Texas-Austin, afirmă că a descoperit la începutul acestui an o modalitate de a produce un catod care îi conferă bateriei Na-ion performanțe apropiate de ale unei baterii Li-ion. Principial, bateriile Na-ion funcționează la fel ca bateriile Li-ion: faza de descărcare (deci de producere a curentului electric) presupune migrația ionilor dinspre catod spre anod, iar procesul invers permite încărcare bateriei. Însă marile dezavantaje țin de capacitatea mult mai redusă față de Li-ion, de durata de viață mai mică, precum și de instabilitatea chimică.

baterii low cost na-ion k-ion - ecoprofit 1
În 1973, vulcanul islandez Eldfell a erupt pe neașteptate. Ulterior, oamenii de știință au descoperit un nou mineral (un amestec de sodiu și fier), cu formula chimică NaFe(SO4)2 – pe care l-au botezat eldefelită. Așa arată structura catodului realizat din eldefelită

Ei bine, profesorul Goodenough și echipa lui afirmă că noul mineral eldefelită (în limbajul chimiștilor, NaFe(SO4)2 ) rezolvă cel puțin un dezavantaj. Mai exact, catodul realizat din eldefelită are o structură din straturi fixe de sodiu și fier, mult mai rezistentă, ceea ce rezolvă cu brio problema de până acum a instabilității bateriilor Na-ion. Primele experimente mai arată o capacitate de circa două treimi față de cea a unei baterii Li-ion similare, dar echipa de cercetători este sigură că acest neajuns va fi rezolvat foarte rapid, prin testarea unor alte materiale.

Coreenii fac un pas înainte: densitatea energetică a bateriei Na-ion

La nici un an distanță, o echipă de cercetători din Coreea de Sud, condusă de Goojin Jeong, afirmă că a pus la punct o baterie Na-ion cu o mare densitate energetică și cu proprietăți non-inflamabile. Punctul central: catolitul pe bază de dioxid de sulf (NaAlCl42SO2), realizat dintr-un lichid anorganic rezistent, care are rol atât de mediu de propagare a ionilor de sodiu, cât și de catod cu o bună capacitate de regenerare.

baterii low cost na-ion k-ion - ecoprofit 2
Bateria Na-SO2 dezvoltată în Coreea de Sud promite o durată foarte lungă de viață, dar și un timp extrem de scurt de încărcare

În mod interesant, coreenii se pare că au continuat o direcție de cercetare abandonată acum 30 de ani, cea a bateriilor având catolit pe bază de litiu. Iar rezultatele de acum promit o capacitate aproape la același nivel cu a bateriilor litiu-ion actuale, dar și rezistența la curenți foarte mari – ceea ce ar putea însemna o baterie care se poate încărca rapid într-un timp mult mai scurt decât actuala tehnologie Li-ion.

Deocamdată, dezavantajul principal remarcat de cercetătorii sud-coreni ține de eficiența mai scăzută, ceea ce se traduce în costuri deocamată mari din punct de vedere industrial. Totuși, principiul catolitului pe bază de SO2 se pare că promite rezultate interesante și pentru alte tipuri de baterii, în care sodiul ar putea fi înlocuit cu magneziu (Mg), calciu (Ca), aluminiu (Al) sau potasiu (K). Despre ultimul element discutăm în continuare.

Bateria pe bază de potasiu – promisiuni interesante

Potasiul se găsește și în apa de mare, dar mai mult în diverse aglomerări minerale (de pe fundul vechilor lacuri), dintre care clorura de potasiu este cea mai întâlnită. Interesant, potasiul se poate obține și din cenușa rezultată din arderea lemnului sau a plantelor, așa încât se poate spune că e un element larg răspândit pe Pământ și, în general, destul de ușor și de ieftin de obținut.

baterii low cost na-ion k-ion - ecoprofit 3
Traducerea acestei scheme: bateria K-ion (pe bază de potasiu) poate oferi performanțe comparabile cu ale unei baterii Li-ion, dar la costuri de zeci de ori mai scăzute și în condițiile unei capacități superioare de reciclare

Momentan, potasiul este utilizat cel mai mult în agricultură, în componența fertilizatorilor care au rolul de a opri degradarea solului (din cauza culturilor intensive). Potasiul mai are multe alte întrebuințări, în diverse alte domenii. Însă aproape nimeni din domeniul cercetării bateriilor nu a băgat în seamă potasiul în ultimii 80 de ani.

Doar foarte recent o echipă de cercetători de la Universitatea din Oregon, condusă de Xiulei David Ji, a anunțat că e pe cale să dezvolte o baterie K-ion competitivă și mult mai ieftină decât bateriile Li-ion actuale (conform estimărilor specialiștilor, potasiul se găsește în scoarța Pământului într-o proporție de 880 de ori mai mare decât litiul).

Până în acest moment, cercetătorii afirmă că au reușit să obțină rezultate promițătoare, care arată avantaje precum ciclul lung de viață, stabilitatea chimică și puterea mai mare care pot fi obținute față de bateriile litiu-ion. În condițiile în care anodul este realizat din materiale ieftine, precum grafitul sau carbonul, cu proprietăți electrice foarte bune. Astfel, bateriile K-ion se pretează în primul rând pentru aplicațiile statice (cum ar fi stocarea energiei de la panourile fotovoltaice sau eoliene), dar și în dispozitivele mobile sau în sectorul auto.

Dezavantajul principal ține de capacitatea mai redusă față de a bateriilor Li-ion, deci mai trebuie făcute cercetări pentru obținerea unei densități energetice superioare. Acest dezavantaj, însă, ar putea fi contrabalansat de costurile poate și de zeci de ori mai reduse ale bateriei K-ion, drept pentru care Universitatea din Oregon a aplicat deja pentru un patent.

baterii low cost na-ion k-ion - ecoprofit 4
Banii vorbesc: tehnologia litiu-ion este doar o etapă intermediară până la soluții mult mai ieftine și poate chiar mai performante

CONCLUZIE

În sectorul bateriilor, marea bătălie care se duce acum este de a găsi soluții mai ieftine pentru o generalizare cât mai rapidă a soluțiilor de stocare a energiei. Deși bateriile litiu-ion sunt momentan câștigătoare, pentru specialiști este destul de clar că scăderea costurilor acestei tehnologii va fi insuficientă și va dura cam mult timp. Prin urmare, este esențială cercetarea unor soluții mult mai ieftine, dar care să presupună și utilizarea unor materiale care se găsesc din abundență față de litiu, fiind și mai ușor de obținut, cu un impact mult mai redus asupra mediului.

Practic, sodiul (Na) și potasiul (K) promit cele mai multe când vine vorba de baterii low-cost. Și mai interesant este că s-ar putea să vedem transpuse aceste cercetătări de laborator în realitate industrială chiar mai devreme de finalul acestui deceniu. Ceea ce echivalează cu o schimbare fundamentală a lumii, greu de înțeles (și de acceptat) de mulți oameni acum.

  • Doc

    Ne-am intors in timp 3000 de ani sa facem baterii ca egipteni – din baghete de cupru si cartofi