Baterie z płynnym metalem już w 2024 roku. Są tanie, niepalne i trwałe

Ambri opracowuje alternatywę dla obecnie stosowanych baterii litowych. W przypadku tej innowacji kluczowym elementem jest wykorzystanie płynnego metalu oraz soli chlorkowo-wapniowej. Celem jest zapewnienie znacząco wydłużonej trwałości baterii przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego kosztu produkcji.

Istnieje obecnie wiele alternatyw dla tradycyjnych akumulatorów. Z jednej strony trwają prace nad udoskonaleniem ogniw litowych, a z drugiej prowadzone są badania nad potencjalnymi zastosowaniami innych materiałów, w tym sodowych. Startup o nazwie Ambri podejmuje zupełnie nowatorskie podejście, próbując opracować rewolucyjną "recepturę" chemiczną. W ramach tego podejścia, katoda baterii została wykonana ze stopionego antymonu, zaś anoda z lekkiego stopu wapnia. Elektrolit składa się z soli chlorku wapnia. Firma czerpie inspirację z osiągnięć Instytutu MIT, który prowadzi prace na tym zagadnieniem co najmniej od 2010 roku. Niemniej jednak wprowadzenie nowej technologii baterii na rynek wymaga znacznego nakładu czasu i wysiłku - w tym przypadku aż 14 lat.

Akumulator działa w temperaturze setek stopni Celsjusza, a ciepło wytwarzane podczas ładowania i rozładowywania utrzymuje wewnętrzne elementy ogniwa w stanie ciekłym.

Niższy koszt baterii ciekłego metalu wynika z prostszych materiałów, chemii i konstrukcji systemu w porównaniu z litowo-jonowymi, a także z dłuższej żywotności. „Koncepcja baterii z płynnego metalu sprawia, że ​​jest ona wyjątkowa w przypadku przechowywania stacjonarnego. Nie jest łatwopalny, w przeciwieństwie do litu. I jest odporny na spadek pojemności. Mamy dane o tysiącach cykli ładowania, czyli latach eksploatacji. Ta rzecz powinna wytrzymać 20 lat i nadal zachować 95 procent swojej pojemności. Poprosiłbym cię o znalezienie kogoś, kto ma działającą 20-letnią baterię litowo-jonową” - powiedział Donald Sadoway, chemik materiałowy i emerytowany profesor na MIT, przez lata dbał przede wszystkim o przystępność cenową swoich wielu wynalazków baterii, w tym niedawnej baterii aluminiowo-siarkowej. Niski koszt był również motywacją dla baterii z ciekłego metalu, zawierającej elektrody ze stopionego metalu i elektrolit ze stopionej soli, którą wynalazł, a następnie zaczął komercjalizować, współzakładając startup Ambri w 2010 roku, gdzie jednym z inwestorów był Bill Gates.

Konwencjonalne akumulatory są zwykle wykonane z dwóch stałych elektrod — grafitu i tlenku litu w przypadku akumulatorów litowo-jonowych — oraz ciekłego elektrolitu, a także separatorów, membran i innych elementów zwiększających koszty. Podczas cykli ładowania i rozładowania, gdy jony z elektrolitu wpływają do i z elektrod, materiały stałe rozszerzają się i kurczą. Powtarzające się zmiany objętości rozbijają cząsteczki z czasem, powodując spadek pojemności baterii.

Bateria płynnego metalu Ambri składa się z trzech warstw cieczy ułożonych razem w zależności od gęstości. Najgęstsza katoda ze stopionego antymonu znajduje się na dole, anoda z lekkiego stopu wapnia znajduje się na górze, a elektrolit w postaci soli chlorku wapnia o średniej gęstości znajduje się w środku. „Pomyśl o oleju sałatkowym i occie”, mówi Sadoway, „z wyjątkiem tego, że tutaj są trzy warstwy, które rozdzielają się, ponieważ nie mieszają się”.  

Konstrukcja ciekłego metalu wymaga mniejszej liczby komponentów, a chemia opiera się na stopowaniu, więc nie ma rozkładu materiału stałego, mówi Sadoway. Podczas rozładowania anoda wapniowa uwalnia jony wapnia, które przemieszczają się przez elektrolit do katody, gdzie tworzą stop wapniowo-antymonowy. Proces odwraca się podczas ładowania. „Nie ma membrany ani separatora”.

Planowane jest, że dopiero w przyszłym roku ta innowacyjna bateria znajdzie zastosowanie w tworzeniu kopii zapasowych oraz w procesach balansowania zapotrzebowania na energię w mieście Aurora, w stanie Kolorado. To jednak jedynie niewielka instalacja weryfikacyjna. Wspólnie z firmą Xcel Energy, Ambri stworzy system o pojemności 300 kWh, wystarczający dla kilkudziesięciu gospodarstw domowych lub jednego bloku mieszkalnego. Planuje się, że ten system będzie działać do końca roku 2024.

Akumulator sieciowy Ambri kosztuje od 180 USD/kWh do 250 USD/kWh, w zależności od wielkości i czasu działania, mówi firma. Ale jego przewidywany koszt to około 21 USD/kWh do 2030 r.

Jednakże, istnieją również pewne kwestie wymagające uwagi. Brak dostępnych informacji na temat gęstości energii może sugerować, że może być ona względnie niska. Ponadto, istnieje problem z dostawą antymonu, który w 90% pochodzi z Chin, Rosji i Tadżykistanu - z krajów, których materialnej zależności staramy się unikać, nawet w przypadku tradycyjnych ogniw litowych. To oznacza, że pomimo tych nowych technologii, kwestie związane z dostawami surowców wciąż stanowią wyzwanie. Może być konieczne ponowne otwarcie niektórych kopalń w Stanach Zjednoczonych jako alternatywnego źródła antymonu.