Telefons, kas agrāk bez problēmām izturēja visu dienu, pēc vairākiem lietošanas gadiem jau prasa daudz biežāku uzlādi. Litija jonu baterijas laika gaitā zaudē daļu savas kapacitātes, un šo procesu ietekmē gan elektroķīmiskie procesi baterijas iekšienē (elektrolīta sadalīšanās, elektrodu materiālu degradācija u.c.), gan mūsu ikdienas paradumi. Baterijas iekšējo procesu izpēte ir daļa no daudz plašāka zinātniska jautājuma – kā enerģiju efektīvāk saražot, droši uzglabāt un izmantot lietderīgāk dažādos mērogos, sākot no telefona mūsu kabatā līdz pat lielapjoma enerģijas uzkrāšanas sistēmām.
“Patiesībā aiz visām ikdienišķajām lietām stāv pētnieku darbs daudzu gadu garumā. Kad mājās ieslēdzam gaismu vai uzliekam lādēties telefonu, aiz tā “slēpjas” zinātnieki, kas savā ikdienā pēta bateriju materiālus jaunu un efektīvu bateriju izstrādei, kā arī meklē veidus, kā novērst vai vismaz samazināt enerģijas zudumus elektrotīklā, pētot elektroenerģijas ražošanas procesus” skaidro Ināra Ņesterova, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta pētniece.
Visbiežāk ikdienā sastopamies ar litija jonu baterijām, kas ļauj darboties mūsu viedtālruņiem, datoriem un elektroauto. Komerciāli tās sāka izmantot 1991. gadā, lai gan pētījumi aizsākās jau 70. gados un tikai 2019. gadā par litija jonu bateriju izstrādi tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā. Bateriju pētniecība ir viena no jomām, kur zinātne turpina attīstīties arī šodien. Litija jonu baterijas, kas darbina mūsu telefonus, datorus, bezvadu ierīces un elektroauto, sabiedrībai pieejamas jau vairāk nekā 30 gadus, taču to attīstība nav apstājusies.
Kāpēc baterijas ar laiku zaudē ietilpību?
Ikviens, kurš telefonu lietojis vairākus gadus, ir pieredzējis, ka ar laiku tas starp uzlādes reizēm darbojas arvien īsāku laiku un baterijas ietilpība vairs nav tik liela kā pirmajos telefona lietošanas mēnešos. Tā nav tikai ierīces novecošanās, to izraisa arī ķīmiski procesi baterijas iekšienē.
“Lai gan litija jonu baterijas ir paredzētas daudziem uzlādes-izlādes cikliem, ar laiku elektrodu materiāli baterijā slodzes dēļ var sākt plaisāt un zaudēt materiālu struktūru, kā rezultātā daļa aktīvo litija jonu var kļūt nepieejami. Tas nozīmē, ka ierīce starp uzlādes reizēm darbojas īsāku laiku un baterijas veiktspēja vairs nav tāda pati kā pirmajos lietošanas gados,” skaidro pētniece.
Baterijas kalpošanas laiku būtiski ietekmē arī lietošanas paradumi. Litija jonu baterijām nav nepieciešams gaidīt, līdz tās pilnībā izlādējas. Regulāra izlāde līdz minimumam rada paaugstinātu elektroķīmisko slodzi uz elektrodu materiāliem un var paātrināt baterijas kapacitātes zudumu.
Karstums baterijai nav draudzīgs – ierīces atrašanās augstā temperatūrā var paātrināt tās novecošanos. Savukārt aukstumā baterijas spēja nodrošināt enerģiju īslaicīgi samazinās, tāpēc ziemā telefons var izlādēties šķietami ātrāk.
Svarīgi gan atcerēties, ka ilgstoša un regulāra atrašanās zemā temperatūrā var nelabvēlīgi ietekmēt baterijas veiktspēju un paātrināts tās ietilpības samazināšanos. Tāpēc viens no galvenajiem pētniecības jautājumiem ir, kā radīt materiālus, kas ļautu baterijām saglabāt savas sākotnējās īpašības ilgāk.
Baterijas darbību nosaka ne tikai litijs, bet arī materiāli, no kuriem veidoti tās elektrodi. Tieši katoda un anoda materiālu īpašības ietekmē, cik daudz enerģijas baterija spēj uzkrāt, cik ātri to iespējams uzlādēt un cik ilgi tā kalpos. Telefonu baterijas tiek ražotas īpaši tīrās telpās, kur elektrodu slāņi ir no 50 līdz 200 mikrometriem biezi, savukārt separatoru slāņi ir plānāki par cilvēka matu. Šāda precizitāte ir nepieciešama, lai nodrošinātu drošu un efektīvu baterijas darbību.
Kāpēc nevar vienkārši radīt jaudīgāku bateriju?
No malas risinājums var šķist vienkāršs – vajag bateriju ar lielāku ietilpību. Taču praksē, uzlabojot vienu baterijas īpašību, var tikt ietekmētas citas. Tāpēc zinātniekiem jāmeklē līdzsvars starp enerģijas ietilpību, jaudu, drošību, kalpošanas ilgumu, uzlādes ātrumu un izmaksām.
“Ideālā pasaulē mēs gribētu bateriju, kas vienlaikus uzkrāj ļoti daudz enerģijas, uzlādējas nemanāmi, kalpo ilgi, ir droša un finansiāli izdevīga. Diemžēl realitātē vienas īpašības uzlabošana bieži vien ietekmē citas, jo baterijā viss ir cieši saistīts. Piemēram, ātra uzlāde, pēc kuras tiecamies, rada lielāku siltumu baterijas iekšienē, kā rezultātā bateriju materiāli ātrāk noveco, bet, ja vēlamies lielāku baterijas kapacitāti, bieži nākas izmantot sarežģītākas kompozīcijas, kas sadārdzina gala produktu. Mērķis ir visus šos aspektus optimizēt un iegūt zelta vidusceļu, līdzsvarojot gan uzlādes ātrumu, gan kapacitāti, gan citus kritērijus, tādējādi sarežģot bateriju pētniecību vēl vairāk,” uzsver Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta pētniece Ināra Ņesterova.
No telefona baterijas līdz enerģijas uzkrāšana mūsu mājās
Bateriju nozīme nebeidzas ar telefonu, datoru vai elektroauto. Tas pats jautājums, kā enerģiju uzkrāt un izmantot īstajā brīdī, kļūst arvien nozīmīgāks arī plašākā energosistēmas kontekstā, kur pieaug atjaunojamo energoresursu, jo īpaši saules un vēja enerģijas, loma.
Viens no lielākajiem izaicinājumiem ir tieši laikapstākļu mainīgums – saule nespīd visu diennakti, un vēja stiprums pastāvīgi mainās, tāpēc elektroenerģijas ražošana no šiem avotiem nav vienmērīga. Tas nozīmē, ka svarīgs kļūst ne tikai jautājums, kā enerģiju saražot, bet arī kā to saglabāt brīdim, kad tā būs nepieciešama. Ja enerģiju iespējams saglabāt brīžos, kad tās ir vairāk, un izmantot tad, kad ražošana samazinās vai pieprasījums pieaug, varam veidot stabilāku, efektīvāku un mazāk atkarīgu enerģijas sistēmu. Tieši tāpēc enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijas, tostarp baterijas, kļūst par vienu no būtiskākajiem risinājumiem pārējā uz atjaunojamajiem energoresursiem.
Efektīva enerģijas izmantošana ilgtermiņā var palīdzēt samazināt izmaksas, jo mazāki enerģijas zudumi nozīmē efektīvāku pieejamo resursu izmantošanu. Tomēr gala cenu ietekmē ne tikai tehnoloģiju attīstība, bet arī tirgus svārstības, infrastruktūras uzturēšanas izmaksas, nodokļi un citi aspekti. Saražot vairāk vai lētāk nav vienīgais nākotnes enerģētikas izaicinājums. Tikpat svarīga ir arī gudrāka sistēmas
pārvaldība – no enerģijas uzkrāšanas līdz tās piegādei lietotājam.
“Mums ir svarīgi meklēt risinājumus, kā saražoto enerģiju uzkrāt brīžos, kad tās saražots vairāk, un izmantot vēlāk, kas nozīmē mazāku atkarību no elektrības cenu svārstībām un stabilāku elektroapgādi,” skaidro Ināra Ņesterova.
Kāda ir Latvijas loma Šveices-Latvijas sadarbības programmas "Lietišķā pētniecība" projektā LACISE?
Latvijas zinātnieki pēta gan elektrotīklus, gan baterijas, gan enerģijas ražošnau. Projekta LACISE darbs ir cieši saistīts ar mūsu ikdienu.
Projekta mērķis ir ne tikai radīt kaut ko jaunu laboratorijā, bet ieviest šos atklājumus reālajā dzīvē.
Lai baterijas nākotnē būtu jaudīgākas un ilgtspējīgākas, zinātnieki meklē jaunus materiālus. Viens no daudzsološākajiem virzieniem ir silīcija izmantošana baterijās – tas spēj uzkrāt vairāk litija jonu nekā tradicionāli izmantotais grafīts, kas teorētiski ļautu radīt baterijas ar lielāku ietilpību, taču arī šeit ir savi izaicinājumi. Silīcijam jāspēj saglabāt stabilitāti simtiem uzlādes un izlādes ciklu laikā. Vienlaikus tiek pētītas arī nātrija jonu baterijas, jo nātrijs ir plaši pieejams dabā un var kļūt par vienu no risinājumiem ilgtspējīgākai enerģijas uzkrāšanai nākotnē.
Tiecoties pēc stabilākiem un efektīvākiem bateriju materiāliem, zinātnieki vienlaikus var panākt arī lielāku bateriju ietilpību, kas ļautu uzkrāt vairāk enerģijas un izmantot to efektīvāk. Šobrīd pētniecībā risina vairākus būtiskus izaicinājumus – kā radīt baterijas, kas uzlādējas ātrāk, kalpo ilgāk, ir drošākas un tajā pašā laikā pieejamākas ikvienam. Turpinoties šo tehnoloģiju attīstībai, nākamajos gados mēs varētu sagaidīt būtiskas pārmaiņas gan mūsu ikdienā izmantotajās ierīcēs, gan plašākā enerģētikas sistēmā, arvien biežāk izmantojot atjaunojamās enerģijas iespējas. Tas nozīmē, ka nākotnē tādas pašas ikdienišķas darbības kā gaismas ieslēgšana, telefona uzlāde vai ikdienas brauciens ar elektroauto varētu notikt citādi – efektīvāk, ilgtspējīgāk un mums pašiem tikpat pašsaprotami kā šodien.
Par programmu
Šveices un Latvijas sadarbības programma “Lietišķā pētniecība” ir daļa no Šveices ieguldījuma ekonomisko un sociālo atšķirību mazināšanai Eiropas Savienībā, stiprinot divpusējo sadarbību starp Šveici, partnervalstīm un Eiropas Savienību. Programma veicina Latvijas zinātnes un inovāciju attīstību, atbalstot projektus viedo materiālu, informācijas tehnoloģiju un viedās enerģētikas jomā. Programmu īsteno Izglītības un zinātnes ministrija sadarbībā ar Latvijas Zinātnes padomi.
