ბატარეის ტექნოლოგიის მომავალი: სილიკონის ანოდები, გრაფენი, ალუმინის-ჟანგბადის ბატარეები და ა.შ.

რედაქტორის შენიშვნა: ელექტრო ტექნოლოგია არის მწვანე დედამიწის მომავალი, ხოლო ბატარეის ტექნოლოგია არის ელექტროტექნოლოგიის საფუძველი და ელექტრო ტექნოლოგიების ფართომასშტაბიანი განვითარების შეზღუდვის გასაღები. ამჟამინდელი ძირითადი ბატარეის ტექნოლოგია არის ლითიუმ-იონური ბატარეები, რომლებსაც აქვთ კარგი ენერგიის სიმკვრივე და მაღალი ეფექტურობა. თუმცა, ლითიუმი იშვიათი ელემენტია მაღალი ღირებულებით და შეზღუდული რესურსებით. ამავდროულად, განახლებადი ენერგიის წყაროების გამოყენების ზრდასთან ერთად, ლითიუმ-იონური ბატარეების ენერგიის სიმკვრივე აღარ არის საკმარისი. როგორ ვუპასუხო? მაიანკ ჯაინმა შეისწავლა ბატარეის ზოგიერთი ტექნოლოგია, რომელიც შეიძლება მომავალში იყოს გამოყენებული. ორიგინალური სტატია გამოქვეყნდა მედიუმზე სათაურით: ბატარეის ტექნოლოგიის მომავალი

დედამიწა სავსეა ენერგიით და ჩვენ ყველაფერს ვაკეთებთ იმისთვის, რომ დავიჭიროთ და გამოვიყენოთ ეს ენერგია. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ უკეთესად გავაკეთეთ მუშაობა განახლებად ენერგიაზე გადასვლაში, ჩვენ არ მიგვიღწევია დიდი პროგრესი ენერგიის შენახვაში.
ამჟამად ბატარეის ტექნოლოგიის უმაღლესი სტანდარტი არის ლითიუმ-იონური ბატარეები. როგორც ჩანს, ამ ბატარეას აქვს საუკეთესო ენერგიის სიმკვრივე, მაღალი ეფექტურობა (დაახლოებით 99%) და ხანგრძლივი სიცოცხლე.
მერე რა არის? რამდენადაც ჩვენ მიერ მიღებული განახლებადი ენერგია აგრძელებს ზრდას, ლითიუმ-იონური ბატარეების ენერგიის სიმკვრივე აღარ არის საკმარისი.
იმის გამო, რომ ჩვენ შეგვიძლია გავაგრძელოთ ბატარეების წარმოება ჯგუფურად, ეს არ არის დიდი პრობლემა, მაგრამ პრობლემა ის არის, რომ ლითიუმი შედარებით იშვიათი ლითონია, ამიტომ მისი ღირებულება არ არის დაბალი. მიუხედავად იმისა, რომ ბატარეის წარმოების ხარჯები ეცემა, ენერგიის შენახვის საჭიროებაც სწრაფად იზრდება.
ჩვენ მივედით ისეთ წერტილამდე, როდესაც ლითიუმ-იონური ბატარეის წარმოების შემდეგ ის დიდ გავლენას მოახდენს ენერგეტიკულ ინდუსტრიაზე.
წიაღისეული საწვავის მაღალი ენერგიის სიმკვრივე ფაქტია და ეს არის უზარმაზარი გავლენის ფაქტორი, რომელიც აფერხებს განახლებად ენერგიაზე ტოტალურ დამოკიდებულებაზე გადასვლას. ჩვენ გვჭირდება ბატარეები, რომლებიც ჩვენს წონაზე მეტ ენერგიას გამოყოფენ.
როგორ მუშაობს ლითიუმ-იონური ბატარეები
ლითიუმის ბატარეების მუშაობის მექანიზმი მსგავსია ჩვეულებრივი AA ან AAA ქიმიური ბატარეების. მათ აქვთ ანოდი და კათოდური ტერმინალები და მათ შორის ელექტროლიტი. ჩვეულებრივი ბატარეებისგან განსხვავებით, ლითიუმ-იონურ ბატარეაში გამონადენის რეაქცია შექცევადია, ამიტომ ბატარეა შეიძლება განმეორებით დატენოს.

კათოდი (+ ტერმინალი) დამზადებულია ლითიუმის რკინის ფოსფატისაგან, ანოდი (-ტერმინალი) დამზადებულია გრაფიტისაგან, გრაფიტი კი ნახშირბადისგან. ელექტროენერგია მხოლოდ ელექტრონების ნაკადია. ეს ბატარეები გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას ლითიუმის იონების გადაადგილებით ანოდსა და კათოდს შორის.
დამუხტვისას იონები გადადიან ანოდში, ხოლო განმუხტვისას იონები მიედინება კათოდში.
იონების ეს მოძრაობა იწვევს ელექტრონების მოძრაობას წრეში, ამიტომ ლითიუმის იონების მოძრაობა და ელექტრონების მოძრაობა დაკავშირებულია.
სილიკონის ანოდური ბატარეა
ბევრი მსხვილი საავტომობილო კომპანია, როგორიცაა BMW, ინვესტიციას ახორციელებს სილიკონის ანოდური ბატარეების განვითარებაში. ჩვეულებრივი ლითიუმ-იონური ბატარეების მსგავსად, ეს ბატარეები იყენებენ ლითიუმის ანოდებს, მაგრამ ნახშირბადზე დაფუძნებული ანოდების ნაცვლად იყენებენ სილიკონს.
როგორც ანოდი, სილიციუმი უკეთესია ვიდრე გრაფიტი, რადგან მას სჭირდება 4 ნახშირბადის ატომი ლითიუმის შესანარჩუნებლად, ხოლო 1 სილიციუმის ატომს შეუძლია იტევს 4 ლითიუმის იონს. ეს არის მნიშვნელოვანი განახლება… რაც სილიკონს 3-ჯერ უფრო ძლიერს ხდის ვიდრე გრაფიტი.

მიუხედავად ამისა, ლითიუმის გამოყენება მაინც ორლესლიანი მახვილია. ეს მასალა ჯერ კიდევ ძვირია, მაგრამ ასევე უფრო ადვილია წარმოების ობიექტების სილიკონის უჯრედებში გადატანა. თუ ბატარეები სრულიად განსხვავებულია, ქარხნის სრული დიზაინი უნდა მოხდეს, რაც გამოიწვევს გადართვის მიმზიდველობის ოდნავ შემცირებას.
სილიკონის ანოდები მზადდება ქვიშის დამუშავებით სუფთა სილიკონის წარმოებისთვის, მაგრამ ყველაზე დიდი პრობლემა მკვლევარების წინაშე არის ის, რომ სილიკონის ანოდები შეშუპებულია გამოყენებისას. ამან შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის ძალიან სწრაფად დეგრადაცია. ასევე რთულია ანოდების მასობრივი წარმოება.

გრაფენის ბატარეა
გრაფენი არის ნახშირბადის ფანტელის სახეობა, რომელიც იყენებს იმავე მასალას, როგორც ფანქარს, მაგრამ ფანტელებზე გრაფიტის მიმაგრება დიდი დრო ჯდება. გრაფენს ადიდებენ მისი შესანიშნავი ფუნქციონირებისთვის ბევრ გამოყენების შემთხვევაში და ბატარეები ერთ-ერთი მათგანია.

ზოგიერთი კომპანია მუშაობს გრაფენის ბატარეებზე, რომლებიც სრულად დაიტენება წუთებში და განმუხტავს 33-ჯერ უფრო სწრაფად, ვიდრე ლითიუმ-იონური ბატარეები. ეს არის დიდი მნიშვნელობა ელექტრო მანქანებისთვის.
ქაფის ბატარეა
ამჟამად, ტრადიციული ბატარეები ორგანზომილებიანია. ისინი ან დაწყობილია ლითიუმის ბატარეის მსგავსად, ან შემოხვეული, როგორც ტიპიური AA ან ლითიუმ-იონური ბატარეა.
ქაფის ბატარეა არის ახალი კონცეფცია, რომელიც გულისხმობს ელექტრო მუხტის მოძრაობას 3D სივრცეში.
ამ 3-განზომილებიან სტრუქტურას შეუძლია დააჩქაროს დატენვის დრო და გაზარდოს ენერგიის სიმკვრივე, ეს არის ბატარეის უაღრესად მნიშვნელოვანი თვისებები. სხვა ბატარეებთან შედარებით, ქაფის ბატარეებს არ აქვთ მავნე თხევადი ელექტროლიტები.
ქაფის ბატარეები თხევადი ელექტროლიტების ნაცვლად მყარ ელექტროლიტებს იყენებენ. ეს ელექტროლიტი არა მხოლოდ ატარებს ლითიუმის იონებს, არამედ იზოლირებს სხვა ელექტრონულ მოწყობილობებს.

ანოდი, რომელიც ატარებს ბატარეის უარყოფით მუხტს, დამზადებულია ქაფიანი სპილენძისგან და დაფარულია საჭირო აქტიური მასალით.
შემდეგ ანოდის გარშემო გამოიყენება მყარი ელექტროლიტი.
და ბოლოს, ე.წ. „პოზიტიური პასტა“ გამოიყენება ბატარეის შიგნით არსებული ხარვეზების შესავსებად.
ალუმინის ოქსიდის ბატარეა

ამ ბატარეებს აქვთ ენერგიის ერთ-ერთი უდიდესი სიმკვრივე ნებისმიერ ბატარეასთან შედარებით. მისი ენერგია უფრო ძლიერი და მსუბუქია, ვიდრე ამჟამინდელი ლითიუმ-იონური ბატარეები. ზოგი ამტკიცებს, რომ ამ ბატარეებს შეუძლიათ 2000 კილომეტრიანი ელექტრომობილების უზრუნველყოფა. რა არის ეს კონცეფცია? ცნობისთვის, ტესლას მაქსიმალური საკრუიზო დიაპაზონი დაახლოებით 600 კილომეტრია.
ამ ბატარეების პრობლემა ის არის, რომ მათი დატენვა შეუძლებელია. ისინი აწარმოებენ ალუმინის ჰიდროქსიდს და გამოყოფენ ენერგიას წყალზე დაფუძნებულ ელექტროლიტში ალუმინის და ჟანგბადის რეაქციის შედეგად. ბატარეების გამოყენება მოიხმარს ალუმინს, როგორც ანოდს.
ნატრიუმის ბატარეა
ამჟამად იაპონელი მეცნიერები მუშაობენ ბატარეების დამზადებაზე, რომლებიც ლითიუმის ნაცვლად ნატრიუმს იყენებენ.
ეს დამღუპველი იქნება, რადგან ნატრიუმის ბატარეები თეორიულად 7-ჯერ უფრო ეფექტურია, ვიდრე ლითიუმის ბატარეები. კიდევ ერთი დიდი უპირატესობა ის არის, რომ ნატრიუმი მეექვსე უმდიდრესი ელემენტია დედამიწის მარაგებში, ლითიუმთან შედარებით, რომელიც იშვიათი ელემენტია.