העתיד של טכנולוגיית הסוללות: אנודות סיליקון, גרפן, סוללות אלומיניום-חמצן וכו'.

הערת העורך: טכנולוגיה חשמלית היא העתיד של כדור הארץ הירוקה, וטכנולוגיית הסוללות היא הבסיס לטכנולוגיה החשמלית והמפתח להגבלת הפיתוח בקנה מידה גדול של טכנולוגיה חשמלית. טכנולוגיית הסוללה המרכזית הנוכחית היא סוללות ליתיום-יון, בעלות צפיפות אנרגיה טובה ויעילות גבוהה. עם זאת, ליתיום הוא אלמנט נדיר בעל עלות גבוהה ומשאבים מוגבלים. במקביל, ככל שהשימוש במקורות אנרגיה מתחדשים הולך וגדל, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון אינה מספיקה עוד. איך להגיב Mayank Jain בדק כמה טכנולוגיות סוללה שעשויות להיות בשימוש בעתיד. המאמר המקורי פורסם במדיום עם הכותרת: העתיד של טכנולוגיית הסוללות

כדור הארץ מלא באנרגיה, ואנו עושים כל שביכולתנו כדי ללכוד ולנצל היטב את האנרגיה הזו. למרות שעשינו עבודה טובה יותר במעבר לאנרגיה מתחדשת, לא התקדמנו הרבה באגירת אנרגיה.
נכון להיום, הסטנדרט הגבוה ביותר של טכנולוגיית סוללות הוא סוללות ליתיום-יון. נראה שהסוללה הזו בעלת צפיפות האנרגיה הטובה ביותר, יעילות גבוהה (כ-99%) וחיים ארוכים.
אז מה לא בסדר? ככל שהאנרגיה המתחדשת שאנו לוכדים ממשיכה לגדול, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון אינה מספיקה עוד.
מכיוון שאנחנו יכולים להמשיך לייצר סוללות באצווה, נראה שזה לא עניין גדול, אבל הבעיה היא שהליתיום היא מתכת נדירה יחסית, ולכן העלות שלה לא נמוכה. למרות שעלויות ייצור הסוללות יורדות, גם הצורך באחסון אנרגיה גדל במהירות.
הגענו לנקודה שבה ברגע שסוללת הליתיום יון תיוצר, תהיה לה השפעה עצומה על תעשיית האנרגיה.
צפיפות האנרגיה הגבוהה יותר של דלקים מאובנים היא עובדה, וזהו גורם משפיע עצום המעכב את המעבר לתלות מוחלטת באנרגיה מתחדשת. אנחנו צריכים סוללות שפולטות יותר אנרגיה מהמשקל שלנו.
כיצד פועלות סוללות ליתיום-יון
מנגנון העבודה של סוללות ליתיום דומה לסוללות כימיות AA או AAA רגילות. יש להם מסופי אנודה וקתודה, וביניהם אלקטרוליט. בניגוד לסוללות רגילות, תגובת הפריקה בסוללת ליתיום-יון היא הפיכה, כך שניתן להטעין את הסוללה שוב ושוב.

הקתודה (+ מסוף) עשויה פוספט ליתיום ברזל, האנודה (-טרמינל) עשויה גרפיט, והגרפיט עשוי פחמן. חשמל הוא רק זרימת אלקטרונים. סוללות אלו מייצרות חשמל על ידי העברת יוני ליתיום בין האנודה לקתודה.
כאשר הם טעונים, היונים עוברים לאנודה, וכאשר הם נפרקים, היונים רצים אל הקתודה.
תנועה זו של יונים גורמת לתנועת אלקטרונים במעגל, ולכן תנועת יוני הליתיום ותנועת האלקטרונים קשורים זה לזה.
סוללת אנודה מסיליקון
חברות רכב גדולות רבות כמו ב.מ.וו השקיעו בפיתוח של סוללות אנודה מסיליקון. כמו סוללות ליתיום-יון רגילות, סוללות אלו משתמשות באנודות ליתיום, אך במקום אנודות על בסיס פחמן הן משתמשות בסיליקון.
בתור אנודה, סיליקון עדיף על גרפיט מכיוון שהוא דורש 4 אטומי פחמן כדי להחזיק ליתיום, ואטום סיליקון 1 יכול להחזיק 4 יוני ליתיום. זהו שדרוג משמעותי ... מה שהופך את הסיליקון לחזק פי 3 מגרפיט.

עם זאת, השימוש בליתיום הוא עדיין חרב פיפיות. החומר הזה עדיין יקר, אבל גם קל יותר להעביר מתקני ייצור לתאי סיליקון. אם הסוללות שונות לחלוטין, יהיה צורך לעצב מחדש את המפעל מחדש, מה שיגרום להפחתה קלה של האטרקטיביות של המעבר.
אנודות סיליקון מיוצרות על ידי טיפול בחול כדי לייצר סיליקון טהור, אך הבעיה הגדולה ביותר שחוקרים מתמודדים כיום היא שאנודות סיליקון מתנפחות בעת שימוש. זה יכול לגרום לסוללה להתפרק מהר מדי. קשה גם לייצר אנודות בהמוניות.

סוללת גרפן
גרפן הוא סוג של פתית פחמן שמשתמש באותו חומר כמו עיפרון, אבל זה עולה הרבה זמן להצמיד גרפיט לפתיתים. גרפן זוכה לשבחים על הביצועים המצוינים שלו במקרים רבים של שימוש, וסוללות הן אחת מהן.

חברות מסוימות עובדות על סוללות גרפן הניתנות לטעינה מלאה תוך דקות ולפרוק במהירות פי 33 מאשר סוללות ליתיום-יון. זה בעל ערך רב עבור כלי רכב חשמליים.
סוללת קצף
כיום, סוללות מסורתיות הן דו מימדיות. הם מוערמים כמו סוללת ליתיום או מגולגלים כמו סוללת AA או ליתיום-יון טיפוסית.
סוללת הקצף היא קונספט חדש הכולל תנועת מטען חשמלי בחלל תלת מימד.
מבנה תלת מימדי זה יכול להאיץ את זמן הטעינה ולהגדיל את צפיפות האנרגיה, אלו הן תכונות חשובות ביותר של הסוללה. בהשוואה לרוב הסוללות האחרות, לסוללות קצף אין אלקטרוליטים נוזליים מזיקים.
סוללות קצף משתמשות באלקטרוליטים מוצקים במקום באלקטרוליטים נוזליים. אלקטרוליט זה לא רק מוליך יוני ליתיום, אלא גם מבודד מכשירים אלקטרוניים אחרים.

האנודה שמחזיקה את המטען השלילי של הסוללה עשויה מנחושת מוקצפת ומצופה בחומר הפעיל הנדרש.
לאחר מכן מוחל אלקטרוליט מוצק סביב האנודה.
לבסוף, מה שנקרא "הדבק חיובי" משמש למילוי הפערים בתוך הסוללה.
סוללת אלומיניום אוקסיד

לסוללות אלו יש את אחת מצפיפות האנרגיה הגדולה ביותר מכל סוללה. האנרגיה שלו חזקה וקלה יותר מסוללות ליתיום-יון הנוכחיות. יש אנשים שטוענים שסוללות אלו יכולות לספק 2,000 קילומטרים של כלי רכב חשמליים. מה זה הקונספט הזה? לצורך התייחסות, טווח השיוט המרבי של טסלה הוא כ-600 קילומטרים.
הבעיה עם הסוללות האלה היא שלא ניתן להטעין אותן. הם מייצרים אלומיניום הידרוקסיד ומשחררים אנרגיה באמצעות תגובה של אלומיניום וחמצן באלקטרוליט על בסיס מים. השימוש בסוללות צורך אלומיניום כאנודה.
סוללת נתרן
נכון לעכשיו, מדענים יפנים עובדים על ייצור סוללות המשתמשות בנתרן במקום ליתיום.
זה יהיה מפריע, שכן סוללות נתרן יעילות תיאורטית פי 7 מסוללות ליתיום. יתרון עצום נוסף הוא שהנתרן הוא היסוד השישי בעושרו במאגרי כדור הארץ, בהשוואה לליתיום, שהוא יסוד נדיר.