Toimittajan huomautus: Sähkötekniikka on vihreän maan tulevaisuus, ja akkutekniikka on sähkötekniikan perusta ja avain sähkötekniikan laajamittaisen kehityksen rajoittamiseen. Nykyinen valtavirran akkutekniikka on litiumioniakut, joilla on hyvä energiatiheys ja korkea hyötysuhde. Litium on kuitenkin harvinainen alkuaine, jolla on korkeat kustannukset ja rajalliset resurssit. Samaan aikaan uusiutuvien energialähteiden käytön lisääntyessä litiumioniakkujen energiatiheys ei ole enää riittävä. miten vastata? Mayank Jain on kartoittanut joitain akkuteknologioita, joita voidaan käyttää tulevaisuudessa. Alkuperäinen artikkeli julkaistiin medialla otsikolla: The Future of Battery Technology
Maapallo on täynnä energiaa, ja teemme kaikkemme vangitaksemme ja hyödyntääksemme sitä energiaa. Vaikka olemme tehneet parempaa työtä siirtymisessä uusiutuvaan energiaan, emme ole juurikaan edistyneet energian varastoinnissa.
Tällä hetkellä akkutekniikan korkein standardi on litiumioniakut. Tällä akulla näyttää olevan paras energiatiheys, korkea hyötysuhde (noin 99 %) ja pitkä käyttöikä.
Joten mikä on vialla? Kun talteenottomme uusiutuva energia jatkaa kasvuaan, litiumioniakkujen energiatiheys ei enää riitä.
Koska voimme jatkaa akkujen valmistusta erissä, tämä ei näytä olevan iso juttu, mutta ongelmana on, että litium on suhteellisen harvinainen metalli, joten sen hinta ei ole alhainen. Vaikka akkujen tuotantokustannukset laskevat, myös energian varastoinnin tarve kasvaa nopeasti.
Olemme saavuttaneet pisteen, jossa kun litiumioniakku on valmistettu, sillä on valtava vaikutus energiateollisuuteen.
Fossiilisten polttoaineiden korkeampi energiatiheys on tosiasia, ja tämä on valtava vaikutustekijä, joka estää siirtymisen täydelliseen riippuvuuteen uusiutuvasta energiasta. Tarvitsemme akkuja, jotka lähettävät enemmän energiaa kuin painomme.
Kuinka litiumioniakut toimivat
Litiumparistojen toimintamekanismi on samanlainen kuin tavallisten AA- tai AAA-kemiallisten paristojen. Niissä on anodi- ja katodiliittimet sekä elektrolyytti niiden välissä. Toisin kuin tavallisissa akuissa, purkausreaktio litiumioniakussa on palautuva, joten akkua voidaan ladata toistuvasti.
Katodi (+-napa) on valmistettu litiumrautafosfaatista, anodi (-liitin) on valmistettu grafiitista ja grafiitti on valmistettu hiilestä. Sähkö on vain elektronien virtaa. Nämä akut tuottavat sähköä siirtämällä litiumioneja anodin ja katodin välillä.
Varautuessaan ionit siirtyvät anodille, ja purkautuessaan ionit juoksevat katodille.
Tämä ionien liike aiheuttaa elektronien liikkeen piirissä, joten litiumionien liike ja elektronien liike liittyvät toisiinsa.
Silikonianodiakku
Monet suuret autoyhtiöt, kuten BMW, ovat investoineet silikonianodiakkujen kehittämiseen. Kuten tavalliset litiumioniakut, nämä akut käyttävät litiumanodeja, mutta hiilipohjaisten anodien sijaan ne käyttävät piitä.
Anodina pii on parempi kuin grafiitti, koska se vaatii 4 hiiliatomia litiumin pitämiseen ja 1 piiatomi voi sisältää 4 litiumionia. Tämä on merkittävä päivitys… mikä tekee piistä 3 kertaa vahvemman kuin grafiitti.
Siitä huolimatta litiumin käyttö on edelleen kaksiteräinen miekka. Tämä materiaali on edelleen kallista, mutta tuotantotilat on myös helpompi siirtää piikennoille. Jos akut ovat täysin erilaisia, tehdas on suunniteltava kokonaan uudelleen, mikä vähentää vaihtamisen houkuttelevuutta hieman.
Piianodit valmistetaan käsittelemällä hiekkaa puhtaaksi piiksi, mutta suurin tutkijoiden tällä hetkellä kohtaama ongelma on piianodien turpoaminen käytettäessä. Tämä voi aiheuttaa akun kulumisen liian nopeasti. Anodien massatuotanto on myös vaikeaa.
Grafeeniakku
Grafeeni on eräänlainen hiilihiutale, joka käyttää samaa materiaalia kuin kynä, mutta grafiitin kiinnittäminen hiutaleisiin maksaa paljon aikaa. Grafeenia kehutaan erinomaisesta suorituskyvystään monissa käyttötilanteissa, ja akut ovat yksi niistä.
Jotkut yritykset työskentelevät grafeeniakkujen parissa, jotka voidaan ladata täyteen minuuteissa ja jotka purkautuvat 33 kertaa nopeammin kuin litiumioniakut. Tämä on erittäin arvokasta sähköautoille.
Vaahto akku
Tällä hetkellä perinteiset akut ovat kaksiulotteisia. Ne on joko pinottu litiumakkujen tapaan tai rullattu kuten tyypillinen AA- tai litiumioniakku.
Vaahtoakku on uusi konsepti, joka sisältää sähkövarauksen liikkeen 3D-tilassa.
Tämä 3-ulotteinen rakenne voi nopeuttaa latausaikaa ja lisätä energiatiheyttä, nämä ovat erittäin tärkeitä akun ominaisuuksia. Useimpiin muihin akkuihin verrattuna vaahtoakuissa ei ole haitallisia nestemäisiä elektrolyyttejä.
Vaahtoakut käyttävät kiinteitä elektrolyyttejä nestemäisten elektrolyyttien sijaan. Tämä elektrolyytti ei ainoastaan johda litiumioneja, vaan myös eristää muita elektronisia laitteita.
Akun negatiivista varausta pitävä anodi on valmistettu vaahdotetusta kuparista ja päällystetty tarvittavalla aktiiviaineella.
Kiinteä elektrolyytti levitetään sitten anodin ympärille.
Lopuksi käytetään niin sanottua "positiivista pastaa" täyttämään akun sisällä olevat aukot.
Alumiinioksidiakku
Näillä akuilla on yksi akkujen suurimmista energiatiheyksistä. Sen energia on tehokkaampaa ja kevyempää kuin nykyiset litiumioniakut. Jotkut väittävät, että näistä akuista voidaan käyttää 2000 kilometriä sähköajoneuvoja. Mikä tämä käsite on? Vertailun vuoksi Teslan suurin matkalentomatka on noin 600 kilometriä.
Näiden akkujen ongelmana on, että niitä ei voi ladata. Ne tuottavat alumiinihydroksidia ja vapauttavat energiaa alumiinin ja hapen reaktion kautta vesipohjaisessa elektrolyytissä. Paristojen käyttö kuluttaa alumiinia anodina.
Natriumparisto
Tällä hetkellä japanilaiset tutkijat työskentelevät valmistaakseen akkuja, joissa käytetään natriumia litiumin sijaan.
Tämä olisi häiritsevää, koska natriumparistot ovat teoriassa 7 kertaa tehokkaampia kuin litiumakut. Toinen valtava etu on, että natrium on kuudenneksi rikkain alkuaine maapallon varannoista verrattuna litiumiin, joka on harvinainen alkuaine.
Postitusaika: 02.12.2019