Добивът на литий и други минерали, от които се нуждаем за батерии, оказва все по-голямо влияние върху околната среда. Все пак има алтернативни материали навсякъде около нас.

Токът спря. Но на улица в Индия има банкомат, който все още щастливо раздава банкноти. Отчасти благодарение на изгорения памук. Тъй като този банкомат има резервна батерия вътре – батерия, която съдържа въглерод от внимателно изгорен памук.

„Точният процес е таен, ако трябва да бъда честен с вас“, казва Инкецу Окина, главен разузнавач в PJP Eye, японската фирма, която е направила батерията. Той не се шегува. „Температурата е тайна и атмосферата е тайна. Налягането е тайна“, продължава той умело.

Окина казва, че е необходима висока температура, над 3000 C, 1 кг памук дава 200 г въглерод – само с 2 г, необходими за всяка батерия. Фирмата закупила пратка памук през 2017 г. и все още не е използвала цялата, казва Окина.

В батериите, разработени от компанията, съвместно с изследователи от университета Кюшу във Фукуока, Япония, въглеродът се използва за анод – един от двата електрода, между които протичат йони, заредените частици в батериите. Йоните се движат в една посока, когато батерията се зарежда, и в другата посока, когато освобождава енергия към устройство. По-голямата част от батериите използват графит като анод, но PJP Eye твърдят, че техният подход е по-устойчив, тъй като те могат да правят аноди, използвайки отпадъчен памук от текстилната промишленост.

С огромно търсене на батерии, което се очаква през следващите години, подтикнато от възхода на електрическите превозни средства и големите системи за съхранение на енергия, някои изследователи и фирми трескаво разработват възможни алтернативи на литиево-йонните и графитните батерии, които са обичайни днес. Подобно на PJP Eye, те твърдят, че можем да използваме много по-устойчиви и широко достъпни материали за производството на батерии.

Добивът на литий може да има значително въздействие върху околната среда . Извличането на метала изисква големи количества вода и енергия и процесът може да остави огромни белези в пейзажа . Възстановеният литий често се транспортира на дълги разстояния от мястото, където се добива, за да бъде рафиниран в страни като Китай. Графитът също се добива или произвежда от изкопаеми горива, като и двете имат отрицателно въздействие върху околната среда.

„Много е лесно да си представим, докато материалът за батерията преминава през добива и транспортирането, как този въглероден отпечатък наистина може да се добави“, казва Сам Уилкинсън, анализатор в S&P Global Commodity Insights.

Да вземем друг пример: кобалтът, който се използва в много литиево-йонни батерии, се добива предимно в Демократична република Конго. Но има съобщения за опасни условия на труд там.

От морска вода до биологични отпадъци и естествени пигменти, има дълъг списък от потенциални алтернативи в природата, които биха били много по-широко достъпни – трудната част е да се докаже, че всяка от тях може реалистично да се конкурира с видовете батерии, които вече са на пазара, които са изглежда толкова незаменим в нашия осеян с джаджи свят.

PJP Eye също рекламира възможността за подобряване на производителността на батерията, както и за по-екологични батерии.

„Нашият въглерод има по-голяма повърхност от графита“, казва Окина, описвайки как химията на анода в тяхната камбрийска единична въглеродна батерия позволява батерия, която се зарежда много бързо, до 10 пъти по-бързо от съществуващите литиево-йонни батерии, твърди той.

Катодът на батерията е направен от оксид на "неблагороден метал". Въпреки че Okina няма да разкрие точно кой от тях, тези метали включват мед, олово, никел и цинк, които са по-лесни и по-малко реактивни от алкалните метали като лития. Компанията твърди, че работи върху батерия с двоен въглероден електрод , като и двата електрода са направени от растителен въглерод. Технологията се основава на изследване, проведено от изследователи от университета Кюшу, въпреки че не се очаква батерията да бъде налична до 2025 г.

Възможността за бързо зареждане на батерията не е от голямо значение за банкомата, но има значение за електрическото превозно средство, когато просто искате да го заредите и да тръгнете. Той споменава, че китайската фирма Goccia, в партньорство с Hitachi, е разработила електронен велосипед, който използва батерията на PJP Eye и ще го пусне в продажба в Япония в началото на 2023 г. Максималната скорост на мотора е 50 км/ч (31 мили в час) и можете изминете разстояние от 70 км (44 мили) с едно зареждане, казва той.

Огромните световни океани представляват "практически неограничен" запас от материали за батерии

Това далеч не е единствената батерия, която използва въглерод от отпадъчни биоматериали. Stora Enso във Финландия разработи анод за батерии, който използва въглерод от лигнин , свързващ полимер, открит в дърветата.

Памукът може да се използва и вместо електролита, който улеснява потока на йони между катода и анода, потенциално създавайки по-стабилни батерии в твърдо състояние от наличните в момента, според някои изследователи.

Но някои виждат още по-големи, потенциално неизчерпаеми източници на енергия в природата. Огромните световни океани представляват "практически неограничен" запас от материали за батерии, твърди Стефано Пасерини, заместник-директор на института Хелмхолц Улм в Германия.

Той и колегите му описаха своя дизайн за батерия, която прехвърля натриеви йони от морска вода , за да изгради склад от метала натрий, в статия, публикувана през май 2022 г. За да направи това, екипът проектира специален полимерен електролит, чрез който натриевите йони могат да преминат.

Морската вода действа като катод тук или положително зареден електрод. Но няма анод, защото натрият не става отрицателно зареден, той просто се натрупва в неутрална форма. Пасерини казва, че излишната вятърна или слънчева енергия може да се използва за натрупване на натрий, който може просто да стои там, докато не е необходим.

„Когато имате нужда от енергия, можете да обърнете процеса и да генерирате електричество“, обяснява той, описвайки как металът просто ще бъде върнат в океана.

С това обаче има предизвикателства. Меко казано, натрият – подобно на лития – реагира енергично, когато влезе в контакт с водата. Както казва Пасерини: "Ще получите експлозия." Ето защо е жизненоважно да се гарантира, че няма изтичане на морска вода към хранилището на натрий – в противен случай може да последва бедствие.

И така, някои изследователи търсят материал, открит естествено в нашите кости и зъби, наред с много други места, като по-безопасна алтернатива на катодите – калций. Може например да се комбинира със силиций, който ще подпомогне транспортирането на калциеви йони в бъдеща батерия.

Списъкът с материали, които биха могли да придадат на бъдещите батерии тяхното очарование, става още по-странен.

Джордж Джон от Градския университет на Ню Йорк и колегите му отдавна проучват потенциала на хиноните, биологични пигменти, открити в растения и други организми, да действат като електроди в батериите. Те дори имат обещаващи резултати с молекула, получена от къна – боята за татуиране, която идва от Lawsonia inermis , дървото на къната.

„Това е нашата мечта“, казва Джон. „Искаме да направим устойчива батерия.“

Едно от препятствията, отбелязва той, е, че естествената молекула на къната е много разтворима. Когато се използва като катод, той постепенно се разтваря в течен електролит. Но чрез комбиниране на четири молекули къна заедно и добавяне на литий, Джон обяснява, че са успели да направят рециклируем материал с кристална структура, която е много по-здрава.

„Тъй като кристалността се увеличава, разтворимостта намалява“, обяснява той.

Джон добавя, че дизайните на батериите, върху които работят той и колегите му, може да нямат достатъчно висок капацитет за захранване на електрически превозни средства, но един ден биха могли да бъдат използвани в малки, преносими устройства. Може би джаджи, които измерват нивата на кръвната захар при хора с диабет или други биомаркери, например.

Други изследователи разглеждат използването на разнообразни материали като отпадъци от царевица и черупки от семена от пъпеши за генериране на нови видове електроди за използване в батерии . Предизвикателството обаче може да е в производството им в мащаб, който може да отговори на нарастващото търсене на индустрията за батерии.

И цялостното предизвикателство за всякакви алтернативни материали за батерии винаги е по отношение на посрещането на извънредно очаквано търсене. Вземете днешната технология за батерии, базирана на литий и графит. Ако продължим да го използваме, светът ще има нужда от около два мегатона графит годишно до 2030 г., за да задоволи процъфтяващата индустрия за батерии, изчислява Макс Рийд, анализатор в Wood Mackenzie. Това е в сравнение със 700 килотона сега.

„Утрояване на търсенето, наистина“, казва той. Отчасти това е причината графитните алтернативи да отговарят на толкова висока летва. „Постигането на тези мащаби ще бъде невероятно трудно за всеки нов материал.“

Изместването на производствените процеси от графит би било много скъпо и потенциално голям търговски риск, отбелязва Джил Пестана, базиран в Калифорния учен по батерии и инженер, който в момента работи като независим консултант.

Тя е скептична относно използването на биоотпадъци за въглеродни аноди, тъй като източниците на такива отпадъци може да не винаги са много екологични. Дървесна плантация, която се управлява лошо за биоразнообразие, например.

От друга страна, на пазари, където изглежда, че потребителите наистина се интересуват от устойчивостта на продуктите, които купуват, алтернативните материали за батерии с подходящ произход може да имат повече шансове – независимо дали батериите са направени с въглерод, получен от биологични отпадъци, или друго потенциално по-устойчиво вещество. „Обществеността може да изиграе голяма роля в наистина тласкането на тези усилия напред“, предполага Пестана.