Baterije so temelj današnjega udobja. Na milijardah prenosnih elektrikalij omogočajo konstantno komunikacijo. V avtomobilih skrbijo za neprestano mobilnost. Pri življenju vzdržujejo hrbtenico medmrežja, če mogoče v Googlovih velikih strežniških halah pride do izpada električnega omrežja. In ne nazadnje, ljudem, kot je Stephen Hawking, vračajo zmožnost (omejene) mobilnosti in povezanosti s svetom.

Naš sogovornik, znanstvenik Robert Dominko, se z baterijami že dolgo ukvarja. Na Kemijskem inštitutu v Ljubljani te naprave gradijo, prebadajo, zažigajo in pretanjeno merijo desetletja. Vanje vnašajo nove spojine in iščejo, katera bi lahko električno energijo učinkoviteje shranjevala v kemično. In jo vračala nazaj.

Shranjevanje namesto kurjenja
Boljše in cenejše baterije so po Dominkovem prepričanju celo eden izmed temeljev vzdržnega, dolgoročnega razvoja človeštva. Znano je, da obstoječi sistem dolgoročno to ni. Okolje stalne gospodarske rasti ne bo omogočalo, prav tako bo na njem obsežne posledice pustil zdajšnji prevladujoči način ekstrakcije energije. Človeštvo jo vleče iz preteklih depozitov, plasti nafte in premoga. Kurijo ju prevozna sredstva in velike termoelektrarne (na Kitajskem se nova odpre tako rekoč na dva tedna). Stranski učinek: v ozračje vračajo velike količine ogljikovega dioksida.

Pri tem lep del proizvedene električne energije izzveni v prazno. Elektrarne namreč v električno omrežje dovajajo tok, ki mora biti nemudoma porabljen - sicer je nepovratno izgubljen.

Naš sogovornik vidi alternativo: električno energijo se pridobi iz obnovljivih virov, shrani v baterije in porabi le takrat in toliko, kot jo potrebujemo. Za dosego takšnega pa je treba še veliko, veliko razvoja. Toda Dominko meni, da je dosegljiv. Tudi pred desetletji so namreč mislili, da so baterije dosegle razvojni zid, pa kljub temu prihaja do novih in novih prebojev.

Tipanje v temi za novostmi
Laboratorij za kemijo materialov ves čas preizkuša nove in nove spojine, ki bi k shranjeni zmogljivosti dodale nekaj elektronov. Učeno "tipanje v temi", upajoč, da bodo prsti naposled zgrabili za 'hevreka' rešitev. Samo v zadnjih mesecih je Dominko s kolegi izdal več znanstvenih člankov, ki so vsak zase obravnavali neko spojino za baterije od boratov do magnezija.

In kot kaže, jim je trenutek hevreka uspel. Ena izmed njihovih raziskav, nastala v mednarodnem sodelovanju s pariškim Collegeem de France, je končala v reviji Science, ki skupaj z Nature spada med najbolj prestižne znanstvene publikacije na svetu. Razlog? Mednarodna ekipa je našla način, kako zmogljivost baterij pri enaki prostornini povečati do 50 odstotkov.

In kako jim je uspelo? Z vizualizacijo O-O peroxo dimerov v katodnih materialih z visoko energijsko gostoto. "Če bilo čisto enostavno, potem ne bi bilo za objavo v Science," se pošali Dominko.

Več reverzibilno shranjene energije
Ključ je v številu uporabnih elektronov v bateriji. Dominko je z ekipo našel način, kako v isto molekulsko maso stisniti veliko, veliko več. Elektroni so tisti, ki se v prvi fazi delovanja baterije kemijsko vežejo na spojine na eni strani te naprave. Ko človek sproži uporabo z ustrezno vezavo, se postopek obrne, elektroni se "odklopijo" in švignejo na drugo stran, s čimer steče električni tok. Več kot jih je (uporabno) shranjenih, dlje deluje mobilni telefon.

Dominko se je skupaj s svojim podoktorskim raziskovalcem ter pariškimi kolegi ukvarjal z akumulatorji na litijeve ione. Ta akumulator za shranjevanje električne energije uporablja kovino in litij. Skupina pa je dokazala, da bi lahko za shranjevanje elektronov uporabili še litij in kisik, ki je pripojen kovini - ali kisikovo podmrežo v kristalni strukturi. "V bateriji imamo kovinske okside, torej kovino z vezanim kisikom. Vanje mi vgrajujemo litij in ga izgrajujemo. To je princip delovanja litij-ionskega akumulatorja. Do zdaj je bilo sprejeto, da se lahko za shranjevanje energije uporabi samo elektron na kovini, mi pa smo pokazali, da se lahko učinkovito uporabi tudi elektron na kisiku," je povedal Dominko.

"Kot bi kmet našel način, da bi mu koruza na njivi rasla v dveh slojih, v zemlji in zunaj nje," je ponazoril dodano vrednost.

Dolga pot do komercialne uporabe
In kar je tudi pomembno: postopek je reverzibilen brez degradacije. To pomeni, da se baterija lahko znova in znova polni brez omembe vredne deformacije spojin, ki bi vodile v zmanjšano potencialno zmogljivost. "Delovanje je stabilno in zato komercialno zanimivo," je povedal. Ne glede na to pa je pot do dejanske komercialne uporabe lahko še zelo dolga in tudi zelo draga. "Mi baterije vidimo kot črno škatlo. Vemo le, da so noter shranjeni elektroni, ki jih želimo dobiti ven. Ostaja ogromno neznank," je izjavil. Parižani in Ljubljančani so predstavili delujoč koncept, ki mora najprej skozi obsežno fazo dokazovanja varnosti in obstojnosti. Testni laboratoriji bodo tako izdelane akumulatorje sežigali, prebadali, v nedogled trošili in znova polnili. Po Dominkovih predvidevanjih bo potrebnih še vsaj pet let, morda pa tudi do 15 let.

Postopek je ponazoril s primerom. Njegov laboratorij se ukvarja tudi z baterijami na litij in žveplo. Za projektom je kar osem milijonov evrov, pa sploh ne bodo prišli do končnih zakljukov. Ustvarili bodo serijo trikrat sto baterij in jih s testi poskrbeli za približno oceno varnosti in posledic staranja. Potem pa bo moralo še samo podjetje vložiti kup denarja.

Konkretni preboj, ki je objavljen v reviji Science, bo sicer v uporabo prišel po bližnjici. Inštitut na francoski strani sodeluje tudi z vojsko, ki želi čimprejšnji napredek, da lahko z električnimi napravami opremljene vojake čim bolj olajša bremen, ki jih morajo nositi. In vojske pri takšnih zadevah ne zavezujejo isti standardi kot preostalo potrošniško javnost.

Poceni materiali, široka dostopnost ... ne še
Pa tudi, če vsi testi nedvoumno izkažejo dolgoročno varnost in stabilnost takšnih akumulatorjev, bo še vedno ostala ena veja ovira. Cena. Za široko uporabo baterij, kaj šele za vizijo bolj energetsko vzdržne prihodnosti, morajo biti akumulatorji cenovno dostopni. Tako kot AA-baterije. Toda modelna spojina, ki so jo Ljubljančani in Parižani prvič sintetizirali za svoj primer, je še vedno draga. V okviru tega koncepta bo treba najti aplikacijo, ki bo cenejša, napoveduje Dominko. "Če bodo uporabljeni materiali, ki so na zemeljski obli široko dostopni, potem lahko pridemo tudi do množične proizvodnje. Če pa bo ostalo na naši modelni spojini ali okoli nje, potem bo uporaba omejena."

To za zdaj ni uspelo niti znani Tesli, ki je znana po avtomobilih na električni pogon ter največji tovarni baterij na svetu (v gradnji), GigaFactory. Tesla je sicer prinesla velik napredek na področju električnih avtomobilov, izdelala je tudi domačo polnilno postajo Powerwall. Toda. "Trenutno še niso sposobni stvari približati res splošni porabi. Tesla je za petičneže, za izbrance, ki imajo nekaj več pod palcem, in isto velja za Powerwall. Kemija, na kateri temelji, po mojem mnenju ne dopušča neke množične proizvodnje," je ponazoril potrebo po povsem drugačni tehnologiji, po široko dostopni in cenejši kemiji.

Baterije kot grožnja okolju
Vedno širša uporaba akumulatorjev bi pomenila tudi vse več tovrstnih odpadkov, ki so polni različnih okolju nevarnih kemikalij. Toda Dominko v tem ne vidi velike nevarnosti. Že zdaj razširjeni svinčeni avtomobilski akumulatorji dosežejo več kot 95-odstotno recikliranost, je med pogovorom navedel svežo študijo, ki je izšla le nekaj dni prej.

Kaj pa druge alternative, denimo vodikove gorivne celice? Dominko se nasmehne: problem bo vedno v shranjevanju goriva. Tudi če bi sestavili gorivne celice na podlagi kakšnega cenejšega materiala (in ne platine), bi še vedno morali shranjevati tekoči vodik zanje pri 700 barih pritiska, kar prinaša velike logistične in varnostne uganke.

Tudi zato bo Kemijski inštitut nadaljeval delo na baterijah, pa naj bodo to magnezijeve, boratne, žveplove ali ... še neznane. Financiranje je dokaj stabilno tudi zaradi velike usmerjenosti v tujino in sodelovanje z gospodarstvom (npr. z Airbusom). Dominko upa, da bodo lahko tudi v letu 2016 poskrbeli za novo odmevno objavo.