編集者注: 電気技術は緑の地球の未来であり、バッテリー技術は電気技術の基礎であり、電気技術の大規模な開発を制限する鍵です。現在の主流の電池技術は、エネルギー密度が高く、効率が高いリチウムイオン電池です。しかし、リチウムは高価で資源が限られている希少元素です。同時に、再生可能エネルギー源の利用が増えるにつれ、リチウムイオン電池のエネルギー密度はもはや十分ではなくなりました。どのように返答すればよいでしょうか？ Mayank Jain は、将来使用される可能性のあるいくつかのバッテリー技術を検討しました。元の記事は、「バッテリー技術の将来」というタイトルで媒体に掲載されました。
地球にはエネルギーが満ちており、私たちはそのエネルギーを捉えて有効活用するためにあらゆる努力をしています。私たちは再生可能エネルギーへの移行においてはより良い取り組みを行ってきましたが、エネルギーの貯蔵に関してはそれほど進歩していません。
現在、最高水準の電池技術はリチウムイオン電池です。このバッテリーは最高のエネルギー密度、高効率 (約 99%)、長寿命を備えているようです。
それで、何が間違っているのでしょうか？私たちが回収する再生可能エネルギーが増加し続けるにつれて、リチウムイオン電池のエネルギー密度はもはや十分ではありません。
電池は大量生産し続けることができるので、それほど大きな問題ではないようですが、問題は、リチウムが比較的希少な金属であるため、コストが安くないことです。バッテリーの生産コストは低下していますが、エネルギー貯蔵の必要性も急速に高まっています。
リチウムイオン電池が製造されれば、エネルギー産業に大きな影響を与える段階に達しています。
化石燃料のエネルギー密度が高いことは事実であり、これは再生可能エネルギーへの全面依存への移行を妨げる大きな影響要因となっています。私たちは体重よりも多くのエネルギーを放出するバッテリーを必要としています。
リチウムイオン電池の仕組み
リチウム電池の動作メカニズムは、通常の単三または単四化学電池と似ています。アノード端子とカソード端子があり、その間に電解質があります。通常の電池とは異なり、リチウムイオン電池の放電反応は可逆的であるため、繰り返し充電することができます。
正極（＋端子）はリン酸鉄リチウム、負極（－端子）は黒鉛、黒鉛は炭素でできています。電気は単なる電子の流れです。これらの電池は、アノードとカソードの間でリチウムイオンを移動させることによって電気を生成します。
充電されると、イオンはアノードに移動し、放電されると、イオンはカソードに移動します。
このイオンの移動が回路内の電子の移動を引き起こすため、リチウムイオンの移動と電子の移動は相関関係にあります。
シリコン負極電池
BMW などの多くの大手自動車会社は、シリコン負極電池の開発に投資しています。通常のリチウムイオン電池と同様に、これらの電池はリチウム負極を使用しますが、炭素ベースの負極の代わりにシリコンを使用します。
シリコンはリチウムを保持するのに 4 つの炭素原子を必要とし、1 つのシリコン原子は 4 つのリチウムイオンを保持できるため、アノードとしてはグラファイトよりも優れています。これは大幅なアップグレードです…シリコンをグラファイトの 3 倍強くします。
それにもかかわらず、リチウムの使用は依然として諸刃の剣です。この材料はまだ高価ですが、生産設備をシリコンセルに移すことも容易です。バッテリーが完全に異なる場合は、工場を完全に再設計する必要があり、切り替えの魅力が若干低下します。
シリコン陽極は砂を処理して純粋なシリコンを生成することによって作られますが、研究者が現在直面している最大の問題は、シリコン陽極が使用時に膨張することです。これにより、バッテリーの劣化が急速に進む可能性があります。陽極を大量生産することも困難である。
グラフェン電池
グラフェンは鉛筆と同じ素材を使用したカーボンフレークの一種ですが、フレークに黒鉛を付着させるには多大な時間がかかります。グラフェンは多くのユースケースで優れたパフォーマンスを発揮することで賞賛されており、バッテリーもその 1 つです。
一部の企業は、数分で完全に充電でき、リチウムイオン電池よりも 33 倍の速さで放電できるグラフェン電池の開発に取り組んでいます。これは電気自動車にとって非常に価値があります。
発泡電池
現在、従来の電池は二次元です。リチウム電池のように積み重ねるか、一般的な単三電池やリチウムイオン電池のように丸めて使用します。
発泡電池は、3D 空間内での電荷の移動を伴う新しい概念です。
この 3 次元構造により、充電時間が短縮され、エネルギー密度が増加します。これらはバッテリーの非常に重要な特性です。他のほとんどの電池と比較して、発泡電池には有害な液体電解質が含まれていません。
発泡電池は液体電解質の代わりに固体電解質を使用します。この電解質はリチウムイオンを伝導するだけでなく、他の電子機器を絶縁します。
バッテリーのマイナス電荷を保持するアノードは発泡銅でできており、必要な活物質でコーティングされています。
次に、固体電解質がアノードの周囲に塗布されます。
最後に、いわゆる「正極ペースト」を使用してバッテリー内部の隙間を埋めます。
酸化アルミニウム電池
これらのバッテリーは、どのバッテリーの中でも最大のエネルギー密度を持っています。そのエネルギーは現在のリチウムイオン電池よりも強力で軽量です。これらのバッテリーで電気自動車を 2,000 キロメートル走行できると主張する人もいます。このコンセプトは何ですか?ちなみにテスラの最大航続距離は約600キロメートル。
これらのバッテリーの問題は、充電できないことです。これらは水酸化アルミニウムを生成し、水ベースの電解質中でのアルミニウムと酸素の反応を通じてエネルギーを放出します。電池を使用すると、陽極としてアルミニウムが消費されます。
ナトリウム電池
現在、日本の科学者はリチウムの代わりにナトリウムを使用した電池の製造に取り組んでいます。
ナトリウム電池は理論的にはリチウム電池よりも7倍効率が良いため、これは破壊的なものとなるでしょう。もう 1 つの大きな利点は、希少元素であるリチウムと比較して、ナトリウムが地球の埋蔵量の中で 6 番目に豊富な元素であることです。
投稿時間: 2019 年 12 月 2 日