Tiskane izdaje
»Volkswagnov škandal z dizelskimi avtomobili nam gre na roko. Konkurenčne družbe napovedujejo, da bodo povečale vlaganja v električne avtomobile, kar pomeni, da bo večje tudi zanimanje za baterijske sisteme. Nas je že angažirala Honda.« Tako dr. Miran Gaberšček s Kemijskega inštituta opisuje okoliščine, ki krojijo delo raziskovalcev.
V Laboratoriju za kemijo materialov pod vodstvom dr. Gaberščka deluje skupina raziskovalcev za moderne baterijske sisteme, ki raziskuje lastnosti in reakcije materialov v litij-ionskih, litij-žveplovih, magnezijevih in natrijevih baterijah za električna vozila. Oktobra so končali razvojni del štiriletnega evropskega projekta Eurolis, ki ga vodi dr. Robert Dominko. O rezultatih raziskav litij-žveplovih baterij v projektu pa so predstavnikom EU v Bruslju ta teden poročali vsi projektni partnerji, tudi predstavniki Kemijskega inštituta. Še pred iztekom projekta Eurolis je inštitutu uspelo pridobiti skoraj osem milijonov evrov evropskih sredstev za projekt Helis, s katerim bodo v podobni zasedbi nadaljevali raziskave litij-žveplovih baterij do tržnega prototipa.
Dr. Gaberšček je pred odhodom v Bruselj predstavil širši kontekst dogajanja pri razvoju baterijskih sistemov skupaj z izzivi za znanost, ki zadevajo tudi reciklažo baterij, predvsem litij-ionskih, ki so poleg gorivnih celic na vodik najpogosteje uporabljen pogon v električnih avtomobilih. Kemijski inštitut se pri raziskavah baterijskih sistemov uvršča med prvih deset raziskovalnih institucij v Evropi.
Dr. Gaberšček, začniva s Hondo. Kakšne raziskave opravljate zanje?
Honda že danes razmišlja o tem, kaj bo čez deset let. Izvaja tako imenovani scouting – tipanje za zanimivimi zamislimi. Družba objavlja razpise za zelo drzne ideje za prihodnost, zato da bo nekoč na nekem področju spet prva. Naš inštitut je dvakrat povabila k prijavi na njihove razpise. Prvič smo predlagali sicer nov material, ki pa je podoben sedanjim, a jih nismo prepričali. Ko smo predlagali precej futuristične raziskave magnezijevih baterij, pa smo jih. Zdaj za Hondo raziskujemo magnezijeve baterije, kakršnih še ni na trgu. V laboratoriju jih že znamo izdelati, toda vse je še v povojih, tako da je do množične uporabe teh baterij še dolga pot. Morda te stopnje sploh ne bodo dosegle.
Vemo, da so zdaj litijeve baterije najbolj pogoste v električnih avtomobilih. Katere kemijske lastnosti magnezija pa bi lahko prekosile litij?
Pomembno izhodišče je, da je magnezija veliko, skoraj tisočkrat več kot litija. Zaloge litija pa so omejene, zato je ta surovina draga. Navsezadnje so baterije drage predvsem zaradi litija, stanejo lahko celo deset tisoč evrov. To vpliva tudi na visoko prodajno ceno električnih avtomobilov.
Druga prednost magnezija je v količini naboja, ki ga izmenja pri delovanju baterije. En atom oziroma ion magnezija namreč shrani oziroma odda dvakrat več elektronov kot atom litija. V enoti magnezija je torej dvakrat več naboja kot v enoti litija, zato bi lahko vozilo na magnezijevo baterijo prevozilo dvakrat daljšo razdaljo kot na litijevo baterijo z enakim številom atomov. Če avto na litij prevozi 200 kilometrov, bi na magnezij prevozil 400 kilometrov. Ta primerjava kaže, da bi zato lahko postala zelo zanimiva tehnologija za izdelavo magnezijeve baterije.
Se v vašem laboratoriju prvi ukvarjate z raziskovanjem magnezija za baterije?
Nismo niti prvi niti edini. Zanimivo je, da je bil leta 2000 objavljen prvi članek, ki je pokazal možno uporabo magnezija, toda potem se deset let ni dogajalo skoraj nič. V zadnjem času pa so oživele raziskave, tako da nas je zdaj po svetu več skupin, ki vsaka po svoje poskušamo rešiti probleme.
Za kakšne probleme gre pri magneziju?
Nekatere osnovne kemijske reakcije pri tem elementu še vedno niso jasne. Vemo sicer, kako načeloma pretvoriti magnezij v električno energijo, toda to znanje ne zadošča za učinkovito delovanje baterije, ki je precej kompleksna naprava. Govorimo o treh sklopih v bateriji, in sicer o pozitivnem in negativnem polu ter o vmesnem prostoru, kjer je separator z elektrolitom. Posamezne sklope sestavljajo različni materiali, ki jih je treba zmešati tako, da skozi sklenjen krog steče samo elektrika in se ne sproži nobena stranska reakcija. Vsaka neželena reakcija namreč lahko vodi do propadanja materialov znotraj tega zaprtega sistema in poslabšanja ali prenehanja delovanja baterije.
Kakšne snovi dodajate v magnezijevo baterijo?
Keramični ali kovinski prah zmešamo s črnimi sajami in eksotičnimi tekočinami v pasto, ki ni privlačna na oko, toda deluje. Na neki način še vedno posnemamo Alessandra Volto, ki je leta 1800 tako rekoč iz zemeljskih sestavin sestavil prvo delujočo baterijo in pridobil elektriko.
Pri raziskavi magnezijevih baterij ste torej v fazi temeljnih raziskav?
Znamo raziskati določene kombinacije v magnezijevi bateriji, toda žal je delovanje te baterije za zdaj slabše kot delovanje litijeve. Zakaj bi prodajali magnezijevo baterijo, če pa ima v primerjavi z litijevo manjšo kapaciteto, se polni počasneje in deluje slabše?
Znamo narediti »slabo« magnezijevo baterijo, vemo pa, da je bila vsaka baterija na začetku slaba. S poskusi in tudi z računsko kemijo bomo morda odkrili pravo formulo delovanja. Ko bomo to dosegli, se bo naše raziskovalno delo v tej smeri končalo, nadaljevali ga bodo drugi, ki bodo znali to razviti naprej do tržne uporabe.
Znanstveniki torej ne jamčite, da bodo raziskave dozorele za preskok v množično uporabo?
Morda magnezijeve baterije nikoli ne bodo razvite do stopnje za široko uporabo, pa ne zato, ker ne bi delovale, ampak zato, ker ne bodo tržno zanimive.
Japonski družbi Honda in Toyota pa gotovo še marsikatero drugo veliko podjetje so sicer pripravljeni plačati temeljne raziskave nečesa, za kar ne vemo niti mi, raziskovalci, niti naročniki, ali bo sploh kdaj uporabno.
No, uporabne pa so postale gorivne celice na vodik. V čem je njihova prednost?
Tehnologija gorivnih celic na vodik je znana že več kot 50 let in je bila uporabljena že v raketah Apollo. Kilogram vodika dá toliko električne energije, da zadošča za približno sto kilometrov vožnje, pri bencinskih avtomobilih pa lahko prevozimo sto kilometrov s približno štirimi do petimi kilogrami bencina. V vodiku je namreč tri- do štirikrat več energije kot v bencinu, hkrati so gorivne celice v kombinaciji z električnim motorjem bolj učinkovite. Zanimiv je torej že energijski vidik, z okoljskega vidika pa je zanimivo to, da iz izpušne cevi pritečejo kapljice vode.
Pred dvema letoma ste na Bledu odprli vodikovo črpalko. Zakaj jo imamo, ko pa ni v Sloveniji nobenega vozila na vodik?
Res je, da pri nas še ni vozil na gorivne celice, je pa nekaj vozil, ki vodik lahko uporabljajo. Utekočinjen vodik namreč lahko točite v prirejene motorje z notranjim izgorevanjem in ga uporabljate kot alternativno gorivo. Vodikovo črpalko smo želeli postaviti zato, ker Toyota, Honda in več evropskih proizvajalcev na trgu že ponujajo prve avtomobile na vodik.
So razen litija in magnezija še druge kovine, ki bi jih lahko uporabili v baterijskih sistemih?
Še boljši kot litij in magnezij je aluminij, ker en aluminijev atom lahko izmenja tri elektrone. Žal je kemizem aluminija še bolj zapleten kot kemizem magnezija, zato trenutno ni primeren za pridobivanje ter shranjevanje električne energije v akumulatorjih. Je pa že možno izdelati aluminijeve baterije za enkratno uporabo. Verjamem, da bodo nekoč razvili tudi aluminijeve baterijske akumulatorje.
Vzporedno z litijevimi baterijami raziskovalci po svetu razvijajo tudi natrijeve. V naši skupini se s tem ukvarjamo le občasno. Natrijev atom prav tako izmenja le en elektron, podobno kot litij. Če bi se pokazalo, da bi bil večji problem z litijem, bi se lahko povečala vlaganja v natrij. To bi razmeroma hitro privedlo do novih rešitev. Natrijeva baterija bo imela nekoliko nižjo kapaciteto, bo pa lahko veliko cenejša kot litijeva. Natrij je namreč povsod okoli nas, ogromne zaloge so, denimo, v morski soli. Bi lahko izkoriščali tudi sončno energijo za neposredni pogon vozil?
Sončna energija je seveda najboljša z okoljskega vidika. Možno jo je izkoriščati tudi za pogon vozil, toda pod določenimi pogoji. Izkoristek sončnih celic bi se v realnih napravah moral od sedanjih malo več kot desetih odstotkov nekajkratno povečati, s čimer bi se ustrezno zmanjšala površina sončnih celic, ki bi jih namestili na vozilo.
Ker so zaloge litija omejene, bi ga morda z reciklažo denimo litijevih baterij iz mobilnih telefonov lahko pridobili nekaj za ponovno uporabo. Razvijate na Kemijskem inštitutu tudi postopke za recikliranje litijevih baterij?
Reciklaža je gotovo zelo pomemben način vračanja litija v proizvodnjo baterij, je pa recikliranje veliko bolj zapleteno, kot smo mislili. Doslej znani postopki namreč zahtevajo ogromno energije za temperaturno obdelavo surovin, zato so tudi za reciklažo potrebna velika začetna vlaganja. Mobilni telefoni z baterijami in vezji iz litija, denimo, so pravi »rudniki« litija in drugih kovin, če vzamemo opis kot prispodobo, zato me ne preseneča, da si zaposleni v belgijski tovarni Umicore, ki je specializirana za recikliranje kovin, v šali pravijo, da so rudarji.
Z reciklažo baterij se na našem inštitutu še ne ukvarjamo, o tem pa razmišljamo. Za nas znanstvenike je namreč velik izziv razvoj tehnik za reciklažo litijevih baterij s kemijskimi postopki, ki potekajo pri razmeroma nizkih temperaturah in torej ob precej manjši porabi energije.
