Οι μπαταρίες λιθίου αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής μας εδώ και δεκαετίες και απαιτούνται για διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές. Αλλά γιατί οι μπαταρίες με βάση το λίθιο έχουν γίνει τόσο δημοφιλείς και είναι καλύτερες εναλλακτικές εκεί έξω; Τι θα μπορούσε μια μέρα να αντικαταστήσει τις μπαταρίες με βάση το λίθιο συνολικά;
Τι είναι οι μπαταρίες λιθίου;
Οι μπαταρίες λιθίου (μπαταρίες ιόντων λιθίου) είναι ο πιο κοινός τύπος μπαταρίας σήμερα. Η ιδέα των μπαταριών με βάση το λίθιο προτάθηκε για πρώτη φορά το 1976 από τον Michael Stanley Whittingham, έναν Βρετανό χημικό. Οι μπαταρίες με βάση το λίθιο έγιναν αρχικά διαθέσιμες στο εμπόριο σε ευρεία κλίμακα μερικά χρόνια αργότερα, το 1991, όταν μπήκαν στη μαζική παραγωγή.
Μια μπαταρία με βάση το λίθιο μπορεί να έρθει σε πολλές μορφές, με τις πιο αξιοσημείωτες παραλλαγές όπως το λίθιο φωσφορικό σίδηρο, οξείδιο κοβαλτίου λιθίου, οξείδιο λιθίου μαγγανίου και κοβάλτιο νικελίου λιθίου οξείδιο. Αυτές οι μπαταρίες περιέχουν μικρές κυψέλες ισχύος, καθεμία από τις οποίες αποτελείται από ένα θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος), ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) και έναν ηλεκτρολύτη.
Μέσα στο κύτταρο, τα ιόντα λιθίου κινούνται μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, με τον ηλεκτρολύτη να ενεργεί ως φορέας κίνησης. Τα ιόντα λιθίου (Li+) έχουν θετικό φορτίο και επομένως έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα δύο ηλεκτρόδια αποτελούνται επίσης από βασικά εξαρτήματα. Στην περίπτωση μιας τυπικής μπαταρίας οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου, η κάθοδος είναι κατασκευασμένη από οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου, ενώ η άνοδος αποτελείται συνήθως από μια ένωση με βάση τον άνθρακα, γνωστή ως γραφίτης.
Η κάθοδος θα δώσει μερικά από τα θετικά της ιόντα λιθίου, τα οποία στη συνέχεια ταξιδεύουν στην άνοδο μέσω του ηλεκτρολύτη, απελευθερώνοντας ενέργεια που θα χρησιμοποιήσει η μπαταρία για την ισχύ εξόδου της. Αυτή η γρήγορη και απλή διαδικασία βασίζεται πλέον από δισεκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο για να τροφοδοτήσουν τις συσκευές τους.
Πολλές μάρκες μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μίας χρήσης. Ενώ μπορούν να τροφοδοτήσουν μια συσκευή για εβδομάδες, μήνες ή και χρόνια, πρέπει να απορριφθεί και να αντικατασταθεί μόλις τελειώσει η μπαταρία. Ωστόσο, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου είναι πλέον πολύ δημοφιλείς, καθώς μπορούν να εξοικονομήσουν χρήματα από τους χρήστες και να παράγουν λιγότερα απόβλητα.
Αλλά γιατί, ακριβώς, οι μπαταρίες λιθίου είναι η κορυφαία επιλογή; Τι τα κάνει τόσο ελκυστική επιλογή για κατασκευαστές και καταναλωτές;
Γιατί χρησιμοποιούμε μπαταρίες λιθίου;
Χρησιμοποιούμε κυρίως μπαταρίες λιθίου λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών. Οι κατασκευαστές θέλουν να παράγουν και να πουλούν μπαταρίες που παρέχουν ισχύ για λίγες ημέρες, ενώ παραμένουν ελαφριές και συμπαγείς. Επιπλέον, σύμφωνα με το Ινστιτούτο Καθαρής Ενέργειας, Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν πολύ χαμηλή αυτοεκφόρτιση της τάξης του 1-2% το μήνα, που σημαίνει ότι χάνουν χαμηλότερο ποσοστό της συνολικής χωρητικότητάς τους κάθε φορά που χρησιμοποιούνται.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να παράγουν ενέργεια μέσω μιας απλής χημικής διαδικασίας, καθιστώντας τις μια πολύ ελκυστική επιλογή για τους κατασκευαστές. Επιπλέον, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου τις καθιστά την πιο προτιμώμενη επιλογή. Μια τυπική μπαταρία ιόντων λιθίου έχει χωρητικότητα 260-270 wh/kg (βατώρες ανά χιλιόγραμμο), ενώ οι μπαταρίες μολύβδου μπορούν να φτάσουν σε χωρητικότητα μόνο 50-100 wh/kg (σύμφωνα με Dragonfly Energy). Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι επίσης ένας βασικός λόγος για τον οποίο είναι χρησιμοποιείται συνήθως σε ηλεκτρικά οχήματα.
Εξαιτίας αυτών των παραγόντων, οι μπαταρίες με βάση το λίθιο είναι δημοφιλείς στο ευρύ κοινό και δεν είναι ακριβές στην αγορά τους. Ενώ ορισμένες μάρκες ή μοντέλα μπαταριών μπορεί να έχουν υψηλότερη τιμή, οι τυπικές μπαταρίες με βάση το λίθιο είναι γενικά αρκετά προσιτές και διατίθενται σε εκατομμύρια καταστήματα παγκοσμίως.
Αλλά οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν είναι σε καμία περίπτωση τέλειες. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν ορισμένα κραυγαλέα ζητήματα που σχετίζονται με αυτήν την απίστευτα δημοφιλή πηγή ενέργειας.
Το πρόβλημα με τις μπαταρίες λιθίου
Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που σχετίζονται με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι η τεράστια ποσότητα απορριμμάτων που δημιουργούν. Πολλοί άνθρωποι επιλέγουν να απορρίπτουν τις μπαταρίες μέσω των κανονικών απορριμμάτων όταν τελειώσουν το ρεύμα, κάτι που είναι επιβλαβές για το περιβάλλον.
Όταν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου απορρίπτονται μαζί με άλλα γενικά, μη ανακυκλώσιμα απόβλητα, καταλήγουν σε χώρο υγειονομικής ταφής. Μόλις προσγειωθούν εδώ, τα εξαρτήματά τους μπορεί να εκπλυθούν και να βλάψουν σοβαρά το περιβάλλον. Το λίθιο, το νικέλιο, το κοβάλτιο και το μαγγάνιο μπορούν όλα να ενέχουν σοβαρούς κινδύνους μόλυνσης και είναι όλα παρόντα σε διάφορους τύπους μπαταριών με βάση το λίθιο.
Επιπλέον, η εξαγωγή λιθίου για αυτόν τον τύπο μπαταρίας βλάπτει επίσης τον πλανήτη μας. Το λίθιο μπορεί να εξαχθεί μέσω εξόρυξης αλατιού ή εξάτμισης, με αμφότερες τις διαδικασίες να έχουν δυσάρεστες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η μόλυνση, η αυξημένη αλατότητα του νερού, οι εκπομπές CO2 και η απώλεια βιοποικιλότητας είναι όλα ανησυχητικές παρενέργειες της εξόρυξης λιθίου.
Δεδομένου ότι η αγορά μπαταριών λιθίου αναμένεται να αυξηθεί κατά 14,6% μεταξύ 2020 και 2026 (όπως αναφέρεται από Statista), είναι πιθανό η διαδικασία εξαγωγής λιθίου να συνεχίσει να αποτελεί περιβαλλοντική απειλή. Αυτό είναι επίσης ένα αυξανόμενη ανησυχία στον κλάδο παραγωγής EV.
Λοιπόν, ποιες είναι οι εναλλακτικές λύσεις;
Οι κορυφαίες 4 εναλλακτικές μπαταρίες με βάση το λίθιο
1. Μπαταρίες αλμυρού νερού
Οι ωκεανοί αλμυρού νερού καλύπτουν τα δύο τρίτα του πλανήτη μας. Λοιπόν, πώς μπορεί αυτός ο πόρος να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας;
Οι μπαταρίες αλμυρού νερού χρησιμοποιούν ένα συμπυκνωμένο αλατούχο διάλυμα για την παραγωγή ενέργειας. Οι μπαταρίες αλμυρού νερού περιέχουν επίσης μια άνοδο και μια κάθοδο, με το αλατούχο διάλυμα να ενεργεί ως ηλεκτρολύτης (ή φορέας) για θετικά ιόντα νατρίου (ιόντα Na+). Τα ιόντα νατρίου ταξιδεύουν από την κάθοδο στην άνοδο, παράγοντας ενέργεια.
Το πραγματικό θαλασσινό νερό δεν χρησιμοποιείται σε μπαταρίες θαλασσινού νερού, αλλά μαζικές ποσότητες αλατιού μπορούν να συλλεχθούν από τον ωκεανό και να χρησιμοποιηθούν για αυτές τις μπαταρίες. Η χρήση αλμυρού νερού για την κατασκευή μπαταριών θα μπορούσε να είναι πολύ λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον από τις διαδικασίες εξαγωγής που χρησιμοποιούνται για το λίθιο, το κοβάλτιο, το νικέλιο και άλλα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες.
2. Μπαταρίες γυαλιού
Οι γυάλινες μπαταρίες μπορεί να ακούγονται λίγο ασυνήθιστες, αλλά έχουν μεγάλες δυνατότητες. Η γυάλινη μπαταρία είναι μια σχετικά νέα ιδέα, η οποία σχεδιάστηκε για πρώτη φορά από τον φυσικό John Goodenough το 2017. Αυτή η μπαταρία, γνωστή ως «μπαταρία Goodenough», χρησιμοποιεί γυαλί ως ηλεκτρολύτη. Ενώ οι ηλεκτρολύτες της μπαταρίας συνήθως έρχονται σε υγρή μορφή, η γυάλινη μπαταρία είναι εξ ολοκλήρου στερεή.
Η χρήση ενός στερεού ηλεκτρολύτη είναι σημαντικά πιο ασφαλής από τους υγρούς ηλεκτρολύτες, μειώνοντας την πιθανότητα πυρκαγιάς και εξαλείφοντας τον κίνδυνο έκπλυσης στους χώρους υγειονομικής ταφής. Επιπλέον, η γυάλινη μπαταρία θα μπορούσε να διαρκέσει περισσότερο από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθιστώντας τις μια πιο βιώσιμη εναλλακτική συνολικά. Το νάτριο χρησιμοποιείται επίσης στη γυάλινη μπαταρία, η οποία, όπως αναφέρθηκε όταν συζητήσαμε τις μπαταρίες θαλασσινού νερού, είναι πιο βιώσιμος πόρος από τα παραδοσιακά μέταλλα μπαταριών.
3. Μπαταρίες νατρίου-θείου
Οι μπαταρίες θείου νατρίου (NaS) είναι μια μορφή μπαταρίας υγρής κατάστασης που χρησιμοποιούν λιωμένες ανόδους και καθόδους. Σε αυτή την περίπτωση, η άνοδος και η κάθοδος έρχονται σε υγρή μορφή, με την πρώτη να είναι τηγμένο νάτριο και τη δεύτερη να είναι λιωμένο θείο. Αυτές οι μπαταρίες υπήρχαν από τη δεκαετία του 1960 προτού εφευρεθεί η μπαταρία ιόντων λιθίου. Τι δυνατότητες όμως έχει η μπαταρία NaS στον κόσμο μας;
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των μπαταριών νατρίου-θείου είναι η υψηλότερη ενεργειακή τους πυκνότητα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Στην πραγματικότητα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ δημιούργησε μια μπαταρία νατρίου-θείου με τετραπλάσια ενεργειακή χωρητικότητα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου το 2022. Επιπλέον, οι μπαταρίες νατρίου-θείου είναι λιγότερο τοξικές από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, κάτι που είναι καλά νέα για το περιβάλλον.
4. Μπαταρίες κάνναβης
Δεν θα πιστεύατε ότι η κάνναβη έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά αυτό το φυτό έχει αποδείξει την ευελιξία του για άλλη μια φορά. Ωστόσο, αυτές οι μπαταρίες συνοδεύονται από μια προειδοποίηση: εξακολουθούν να χρησιμοποιούν βαρέα μέταλλα όπως το λίθιο για να λειτουργήσουν.
Οικολογικό ρολόι αναφέρει ότι ένα παράδειγμα μπαταρίας κάνναβης, που αναπτύχθηκε από ερευνητές το 2022, χρησιμοποιεί λίθιο και θείο στη διαδικασία παραγωγής ενέργειας. Η διαφορά εδώ είναι ότι άλλα βαρέα μέταλλα, όπως το νικέλιο ή το κοβάλτιο, δεν χρησιμοποιούνται και η ίδια η μπαταρία έχει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τις παραδοσιακές παραλλαγές ιόντων λιθίου. Αυτό συμβαίνει επειδή η κάνναβη βοηθά την κάθοδο να παρατείνει τη ζωή της μέσω επαναλαμβανόμενων κύκλων.
Οι μπαταρίες με βάση την κάνναβη είναι επίσης πιο οικονομικές και εξετάζονται για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα. Για να μάθετε για τους διαφορετικούς τύπους μπαταριών EV, ανατρέξτε στο μας αφιερωμένο κομμάτι για το θέμα.
Η βιομηχανία μπαταριών θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο πράσινη στο μέλλον
Με τέτοιες υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου ήδη στα σκαριά, είναι συναρπαστικό να σκεφτόμαστε το μέλλον της βιομηχανίας μπαταριών. Εάν τέτοιες εναλλακτικές λύσεις διατεθούν επιτυχώς στο εμπόριο, μπορούμε να αποτρέψουμε αμέτρητα περιβαλλοντικά ζητήματα και καταστροφές. Συνολικά, είναι ένα win-win για τις αντικαταστάσεις ιόντων λιθίου!