Kemik dr. M. Stanley Whittingham je ključna osebnost v zgodovini razvoja baterij – tehnologije, ki je pomenila revolucijo na področju shranjevanja energije. Postavil je temelje za razvoj litij-ionskih baterij, ki so danes praktično povsod, brez njih si ne moremo predstavljati pametnih telefonov, prenosnih računalnikov ali električnih vozil. Za ta dosežek je Whittingham skupaj še z dvema znanstvenikoma leta 2019 prejel tudi Nobelovo nagrado. Za N1 med drugim pojasnjuje, kako izboljšati slabe strani tehnologije in kako jo narediti bolj trajnostno.
M. Stanley Whittingham je profesor kemije in znanosti o materialih ter direktor NorthEast Center for Chemical Energy Storage (NECCES) na Univerzi Binghamton v New Yorku. Iz rojstne Velike Britanije se je že leta 1968 preselil v ZDA zaradi študija in tam zaradi ljubezni tudi ostal. Danes ima 16 patentov, je soavtor več knjig, za svoje delo je prejel sedem nagrad, vključno s prestižno Nobelovo nagrado, ki jo je dobil skupaj z Američanom Johnom B. Goodenoughom in Japoncem Akiro Jošinom.
Kot prvi od treh nagrajencev se je v 70. letih prejšnjega stoletja med naftno krizo, ko je bil zaposlen pri podjetju Exxon, začel ukvarjati z razvojem metod, ki bi omogočile uporabo nefosilnih (obnovljivih) virov energije. Kot prvi od treh nagrajencev se je v 70. letih prejšnjega stoletja med naftno krizo, ko je bil zaposlen pri podjetju Exxon, začel ukvarjati z razvojem metod, ki bi lahko pripeljale do energetskih tehnologij brez fosilnih goriv. Odkril je energetsko bogat material, ki ga je uporabil za izdelavo inovativne katode v litijevi bateriji ter tako demonstriral prvo litijevo baterijo, ki jo je mogoče ponovno napolniti. Te danes poganjajo prenosnike, tablične računalnike, mobilne telefone in večino električnih avtomobilov.
Med srečanjem Nobelovih nagrajencev, ki je prejšnji mesec potekalo na otoku Lindau v Nemčiji, si je vzel čas tudi za pogovor za N1.
Binghamton University/State University of New York
Pred skoraj 50 leti ste postavili temelje za litij-ionske baterije, ki so, kot je zapisano v utemeljitvi Nobelove nagrade, “povzročile revolucijo v naših življenjih, odkar so leta 1991 prišle na trg, uporabljajo se od mobilnih telefonov do prenosnikov in električnih vozil”, ter imajo veliko korist za človeštvo. Kako danes vidite njihov razvoj?
Razvoj na področju baterij je bil neverjeten, pred 50 leti so bile to samo sanje, iz katerih je vse nastalo ter se eksponentno razmahnilo. To lahko vidimo v električnih vozilih in shranjevanju obnovljivih virov energije.
V Kaliforniji je začel obratovati shranjevalnik energije – velik baterijski sistem z litij-ionskimi baterijami – s kapaciteto 1,2-gigavatne ure (Nuklearna elektrarna Krško bi za napolnitev tega shranjevalnika potrebovala približno dve uri, op. a.). Po velikosti in obsegu je to največji baterijski sistem za shranjevanje energije na svetu in je 4-krat večji od prejšnjega največjega na svetu, zato pravim, da se je razvoj baterij razmahnil z neverjetno hitrostjo.
Tudi Evropa za vzpostavitev celotne verige proizvodnje litij-ionskih baterij in vsega ostalega namenja milijarde evrov. Še pred enim letom se nam o tem ni niti sanjalo.
Today, we are proud to announce that Vistra’s Moss Landing Energy Storage Facility is connected to the California power grid. This lithium-ion battery storage system is the largest of its kind in the world!
Menite, da pretiravamo z uporabo baterij na splošno? Danes so povsod, tudi v izdelkih za enkratno uporabo, za katere vemo, da ne bodo reciklirani.
Niti ne, ker kaj pa je druga možnost? Morda še slabša alternativa. Ko sem se pred eno uro pogovarjal z ljudmi iz BMW, so mi povedali nekaj, kar je bilo zame novo. In sicer da so v pnevmatikah vašega avtomobila pametni senzorji, vsak od njih pa ima v sebi majhno baterijo, da lahko avtomobil sporoči, ko v pnevmatiki zazna prenizek tlak ali kakšno drugo težavo.
Danes lahko baterije vidimo v najrazličnejših napravah. Slušni aparati so na primer zdaj veliko boljši, ker imajo cink zrak baterije. Te so varne, saj uporabljajo natančno enake spojine, kot so v kremi za sončenje.
Profimedia
Nobelovi nagrajenci za kemijo 2019 Akira Jošino, John B. Goodenough in M. Stanley Whittingham.
Litij-ionske baterije imajo danes tudi ključno vlogo pri elektrifikaciji mobilnosti. Ali vi vozite električni avtomobil?
Ne. Vozim športnega terenca, ker živim na vrhu hriba in imamo veliko snega. Decembra smo imeli več kot meter snega. Zato čakam, da se pojavi dober električni športni terenec, s katerim se bom lahko prebil do doma (smeh, op. a.).
Ali lahko razvoj litij-ionskih baterij sledi hitrosti razvoja električnih vozil? Litij-ionske baterije so namreč drage in imajo omejeno sposobnost zagotavljanja zadostne zmogljivosti, potrebne za napredovanje razvoja električnih vozil.
Samo poglejte, kaj se je zgodilo v zadnjih petih ali desetih letih – litij-ionske baterije so stale več kot tisoč dolarjev na kilovatno uro, zdaj pa avtomobilska podjetja zanje plačajo približno sto dolarjev, kar je desetkrat manj. Cilj je, da bi celoten baterijski paket, vključno z elektroniko, hlajenjem in ohišjem, stal manj kot 100 dolarjev, morda 60 ali 70 dolarjev na kilovatno uro.
Problem pa je, kako dovolj hitro povečati število tovarn baterij, da bi lahko pokrili potrebe avtomobilskih podjetij, ki izdelujejo vse več električnih avtomobilov. Ker ni jasno, ali bo baterij dovolj, so se številna avtomobilska podjetja začela kar sama ukvarjala z baterijami. Eno od teh podjetij je Volkswagen, ki sledi zgledu Tesle.
Profimedia/Sebastian Kahnert/dpa-Zentralbild/ZB
Montaža električnega vozila ID 3 nemškega avtomobilskega proizvajalca Volkswagen v Dresdnu.
Kako dobre so trenutno baterije za električne avtomobile? Kaj želite na tem področju doseči v naslednjih letih?
Sem del tako imenovanega konzorcija Battery 500. Naš cilj je doseči, da se gostota energije baterij z današnjih 250 vatnih ur na kilogram poveča na 500 vatnih ur na kilogram teže. Na ta način bi bile lahko baterije enake velikosti veliko bolj zmogljive, vozili bi lahko dlje. Po drugi strani pa bi to omogočilo proizvodnjo manjših baterij ter s tem manjših električnih avtomobilov, za tiste, ki si jih želijo.
Naš cilj je torej povečati gostoto energije in še naprej zniževati stroške proizvodnje baterij. Ena od ključnih stvari pa je, da želimo iz baterij odstraniti ves kobalt, ki večinoma prihaja iz Konga. To je pomemben stroškovni dejavnik, pa tudi pomembna problematika, ko gre za okolje, oskrbovalno verigo in otroško delo, večina tega pa se nanaša na Kongo.
S čim lahko nadomestimo kobalt?
To je večinoma nikelj, morda s ščepcem magnezija, aluminija ali česa drugega, da se mu zagotovi stabilnost, ki jo je včasih zagotavljal kobalt. Večina avtomobilskih proizvajalcev je s tretjine kobalta prešla na deset odstotkov kobalta, podjetja, kot je Tesla, pa uporabljajo morda le pet odstotkov kobalta. Vendar pa so vsi vaši mobilni telefoni še vedno stoodstotno kobaltni, zato na tem področju še vedno potrebujemo neko rešitev.
Profimedia
Rudnik kobalta v Demokratični republiki Kongo, od koder prihaja več kot polovica svetovnih zalog kobalta.
Ves čas govorimo o električnih avtomobilih, a pozabljamo na težka vozila in letala. Ali bodo baterije zanje dovolj zmogljive?
V testnem centru ameriškega proizvajalca srednjih in težkih tovornjakov Peterbilt Motors Company v zvezni državi Washington sem vozil električni tovornjak s 16 kolesi. Takšna vozila torej že imajo in jih uporabljajo za prevažanje tovora na kratke razdalje, za dolge pa ne. Običajno prevažajo zabojnike od ladij do distribucijskih centrov.
Na tem področju se veliko govori o uporabi vodikovih gorivnih celic, a še vedno bo treba uporabljati litij-ionske baterije, saj gorivne celice ne omogočajo pospeševanja ali regenerativnega zaviranja (vozilo med zaviranjem obnavlja kinetično energijo, kar zmanjšuje porabo goriva in emisije, op. a.). Še vedno boste torej imeli baterijo. Da bo ta popolnoma napolnjena, bo poskrbela vodikova gorivna celica, to pa bomo polnili na polnilnih postajah ob glavnih avtocestah.
Težava pa je, da še vedno ne znamo izdelati tako imenovanega zelenega vodika, saj ga še vedno pridelujemo iz zemeljskega plina ali nafte, kar ni dobro. Najti moramo načine za izdelavo zelenega vodika.
Kdaj pa lahko pričakujemo razmah električnih letal? Ali je to sploh mogoče v prihodnosti?
Odvisno od tega, kako majhna bodo. Dve ali tri podjetja izdelujejo letala, ki bodo lahko prevažala tri ali štiri ljudi ali pa blago – na primer nujne medicinske pripomočke iz obrobnih krajev v mestna središča. Velikih reaktivnih letal ne bomo nadomestili z baterijami, to preprosto ni mogoče, za ta letala bomo še vedno potrebovali nafto.
Kako bo po vaših predvidevanjih potekal nadaljnji razvoj litijevih baterij? Katere so omejitve sedanjih baterij in kam želite priti pri njihovem razvoju? Na katere zanimive pristope pri njihovem razvoju stavite?
V konzorciju Battery 500 se ne ukvarjamo z litij-ionsko tehnologijo, temveč z vrnitvijo h kovinskemu litiju, saj bi se na ta način energijska gostota baterij povečala za vsaj 50, morda sto odstotkov. Znebiti se želimo grafita, ki je trenutno v baterijah.
Anoda (negativna elektroda), v kateri je shranjen litij, namreč trenutno potrebuje 72 g grafita, kar predstavlja veliko izgubo teže, poleg tega grafit zavzema polovico prostornine baterije. Močno si prizadevamo, da bi se znebili čim več ogljika v anodi, saj se tako energijska gostota poveča za vsaj 50, morda sto odstotkov.
Binghamton University/State University of New York
Dr. Whittingham s svojo raziskovalno skupino na Univerzi Binghamton.
Ena izmed obetajočih tehnologij, o kateri se v zadnjih letih veliko govori, so baterije s trdnim elektrolitom (angl. solid-state battery), ki naj bi zaradi večje varnosti in večje energijske gostote popolnoma revolucionirale način uporabe ter polnjenje električnih avtomobilov. Ali menite, da je to prihodnost? Katere so lahko prednosti teh baterij v primerjavi z litij-ionskimi baterijami?
To je vsekakor ena od možnosti za baterije prihodnosti, ki bodo veliko varnejše, saj uporabljajo trdni elektrolit, ki ni vnetljiv. Danes še ni jasno, ali imajo dovolj energetske zmogljivosti za električna vozila, zato menim, da jih bomo najprej uporabljali v manjših napravah. Zelo bi me presenetilo, če večina naših mobilnih naprav, ur, telefonov … v naslednjih nekaj letih ne bi uporabljala teh baterij. Na ta način bi namreč lahko imela enako velika baterija 50 odstotkov več energije ali pa bi baterije postale manjše.
Baterija s trdnim elektrolitom je sicer na trgu že na voljo, ponuja jo podjetje Blue Solutions iz Francije. Uporablja se v majhnih avtomobilih, Mercedes Benz pa jih uporablja v svojih električnih avtobusih. Vendar ta baterija deluje pri približno 70 stopinjah Celzija, zato je ne boste mogli uporabiti za svoje prenosne naprave ali osebne avtomobile. To so torej začetki, ki nakazujejo, da je to mogoče.
Vsaka tehnologija se lahko uporablja za dobre ali slabe stvari in aplikacije. Kateri so nekateri negativni vidiki litij-ionskih baterij?
Vsi vemo, da zaradi baterij nimamo več svobode. Sredi noči dobivamo sporočila na svojih računalniških in mobilnih napravah in ljudje od nas pričakujejo, da bomo odgovorili. Če ne bi imeli litij-ionskih baterij, namreč ne bi imeli pametnih telefonov, tankih računalnikov in vseh teh naprav.
Trenutno je ena izmed večjih težav litij-ionskih baterij v tem, da za izdelavo baterije z močjo ene kilovatne ure potrebujemo od 60 do 80 kilovatnih ur energije. Deloma je to zato, ker se materiali dvakrat ali trikrat pošiljajo naokoli po svetu, 90 odstotkov jih gre na neki točki prek Kitajske. To se mora ustaviti.
Prava rešitev je, da vse poteka lokalno – rudarite v Skandinaviji, tam imate čisto hidroenergijo, nato pa material peljete do recimo Nemčije ali druge države, v kateri boste izdelovali baterije. Tako bi bile baterije veliko bolj trajnostne.
Druga očitna rešitev pa je, da moramo vse baterije reciklirati. Ne vem, kakšen je postopek v Evropi, mislim pa, da se v ZDA običajno večina telefonov in prenosnih računalnikov ne reciklira. Te materiale moramo začeti reciklirati ter jih narediti bolj okoljsko vzdržne.
Podnebne spremembe so nedvomno najbolj pereče vprašanje našega časa. Kakšen vpliv imajo litij-ionske baterije na podnebne spremembe? V nekem intervjuju ste dejali, da nam bodo pomagale nekoliko bolj obvladovati podnebne spremembe. Kako?
Omenil sem objekt v Kaliforniji – baterijsko skladišče energije z močjo 1,2 gigavatne ure, ki je nadomestilo plinsko elektrarno. Vso opremo za plinsko elektrarno so odstranili in jo nadomestili z litij-ionskimi baterijami. Zdaj uporabljajo odvečno sončno energijo za polnjenje teh baterij sredi dneva in to energijo uporabljajo, ko se pojavijo potrebe.
To je res idealna aplikacija, saj že imate električno omrežje in vso potrebno infrastrukturo, treba je samo zavreči elektrarno z umazanim virom energije in vanjo namestiti litij-ionske baterije. Po svetu je veliko elektrarn na premog – zavrzite jih in namesto njih postavite litij-ionske baterije. V Evropi imate vetrne in vodne elektrarne – lahko jih polnite, ko imate presežek energije, in jih uporabite, ko jo potrebujete.
Prihodnost družbe brez fosilnih goriv so torej po vašem mnenju baterije. Toda zanje še vedno potrebujemo električno energijo, ki jo večinoma še vedno pridobivamo na okoljsko nevzdržen način. Ali smo sposobni proizvesti dovolj čiste energije za vse te baterije?
Očitno je v nekaterih delih Evrope in sveta to že mogoče. Mislim, da je v Skandinaviji ogromno hidroelektrarn, Francija je večinoma jedrska, v kanadski provinci Quebec je več kot 90 odstotkov hidroelektrarn, v zvezni državi New York bo v naslednjih petih letih 50 ali 60 odstotkov čiste energije – menim, da so zadnje elektrarne na premog že ugasnile ali pa bodo kmalu.
Na nekaterih lokacijah se to dogaja veliko hitreje kot na drugih. Ne vem, kako je v vaši državi – imate gore, zato predvidevam, da imate nekaj hidroelektrarn … Poleg baterij pa je, kjer je to izvedljivo, dobro skladišče za shranjevanje energije tudi črpalna hidroelektrarna.
Najbolj očiten ukrep, ki ga poleg uporabe baterij potrebujemo, pa je varčevanje z električno energijo. To je najboljši način, da postanete zeleni. Po mojih podatkih Severna Amerika – ZDA in Kanada – porabi dvakrat več električne energije na osebo kot Zahodna Evropa. To moramo zmanjšati. Eden najlažjih načinov, da postanemo zeleni, je, da porabimo manj električne energije in nafte. To nas v resnici nič ne stane in nam morda celo prihrani denar.
REUTERS/Jennifer Gauthier
Zogleneli ostanki avtomobila v mestu Lytton v Britanski Kolumbiji v Kanadi, ki ga je 30. junija uničil gozdni požar.
Ali menite, da imamo kot družba sposobnost in predvsem voljo, da naredimo te spremembe?
Razmere variirajo. V ZDA smo imeli predsednika, ki so mu bili dolarji in prijatelji pomembnejši od podnebja, enako velja za Brazilijo in številne druge države. Zares jim ni mar za podnebje. Mi moramo spodbuditi vse, da se za to zavzamejo. Dogodki na severozahodu ZDA in v kanadski provinci Britanska Kolumbija konec junija so bili jasno sporočilo vsem, da je globalno segrevanje resnično.
Najvišje temperature v vasici Lytton v Britanski Kolumbiji so znašale 50 stopinj Celzija. Mislim, da so ljudje videli, da je globalno segrevanje resnično. En dan so imeli rekord, naslednji dan pa je njihovo mesto pogorelo in vse so morali evakuirati. Tudi kmetje v Kaliforniji so morali prenehati kmetovati, ker letos ni dovolj vode. Ljudje morajo razumeti, da je globalno segrevanje resnično.
Česa se v prihodnosti najbolj veselite?
Mislim, da tega, da se bomo vrnili v normalno življenje.
Mislite po pandemiji?
Da. Ker je vse šlo k vragu, in menim, da je skrb vzbujajoče to, da so emisije CO2 spet tam, kjer so bile prej. Pozitivna stvar je morda, da mnogi med nami ne letijo več toliko, mednarodnih potovanj je še vedno zelo malo. Veliko več srečanj danes poteka po spletu. To je dober znak.
Mislim, da se je večina ljudi odločila, da ni vredno leteti dva dni v Evropo ali Azijo in dva dni nazaj le zato, da bi se udeležili enodnevnega srečanja. Danes lahko to storimo po Zoomu in podobnih platformah. Zdaj lahko zjutraj predavam v Londonu, nato v času kosila v ZDA, zvečer pa v Aziji. Zanimivo je, da so ljudje, zlasti študenti, veliko bolj pripravljeni postavljati vprašanja po spletu, zdi se, da se tako počutijo veliko udobneje.
Poleg tega pa si moramo povrniti svobodo, da ne bomo sužnji vse te nove tehnologije.
Zdi se, da ste zelo kritični do uporabe nove tehnologije. Sploh ker so baterije, ki ste jih pomagali izumiti, omogočile tako množično uporabo vseh teh tehnologij.
Morda nisem bil jasen, všeč mi je, vendar pa moramo poskrbeti, da ne bo obvladovala našega življenja.
Nobel Media/Nanaka Adachi
M. Stanley Whittingham leta 2019 v Stockholmu ob prejemu Nobelove nagrade, ki mu jo je izročil švedski kralj Carl XVI Gustaf.
Ko se ozrete na svojo kariero, kaj bi rekli, da je bil ključni element, da ste dosegli to, kar ste dosegli?
Tako da nisem počel običajnih stvari, nisem bil konzervativen. Če želite narediti preboje, morate tvegati. Drugi ključni element pa je, da delate v ekipah, ne sami. Ko sem v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja delal pri podjetju Exxon, smo imeli ekipo, v kateri je bilo sprva približno pet ljudi, sčasoma pa se je širila.
Danes je znanost zelo zapletena in ne more delovati brez politikov in ekonomistov, zato moramo vsi sodelovati. Pogovarjati se moramo med seboj, izobraževati moramo politike in splošno javnost. Glavna stvar pa je: ne delajte običajnih stvari, bodite drzni, tvegajte in sodelujte z drugimi.
Kako baterija deluje?
Kemijski inštitut
Litij-ionska baterija je sestavljena iz pozitivne elektrode, ki je tipično litijiran oksid prehodne kovine, in negativne elektrode, ki je iz grafita. Med polnjenjem litijevi ioni zapustijo oksidno strukturo in potujejo po elektrolitu do grafita, v katerega se vgradijo. Elektroni potujejo po zunanjem krogotoku, za kar potrebujemo energijo. Med praznjenjem so procesi ravno obratni, litij zapusti grafit in se vgradi nazaj v oksidno strukturo, obenem pa elektroni, ki potujejo nazaj do pozitivne elektrode, opravljajo delo – našemu telefonu, računalniku, vozilu omogočajo, da deluje.
**Za strokovno pomoč se zahvaljujemo prof. dr. Robertu Dominku, vodji skupine Moderni baterijski sistemi na Odseku za kemijo materialov na Kemijskem inštitutu v Ljubljani.
Kakšno je tvoje mnenje o tem?
Bodi prvi, ki bo pustil komentar!