Noot van de redactie: elektrische technologie is de toekomst van de groene aarde, en batterijtechnologie is de basis van elektrische technologie en de sleutel tot het beperken van de grootschalige ontwikkeling van elektrische technologie.De huidige reguliere batterijtechnologie bestaat uit lithium-ionbatterijen, die een goede energiedichtheid en een hoog rendement hebben.Lithium is echter een zeldzaam element met hoge kosten en beperkte middelen.Tegelijkertijd is, naarmate het gebruik van hernieuwbare energiebronnen toeneemt, de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen niet langer voldoende.hoe te reageren?Mayank Jain heeft de balans opgemaakt van enkele batterijtechnologieën die in de toekomst kunnen worden gebruikt.Het originele artikel werd op medium gepubliceerd met de titel: The Future of Battery Technology
De aarde zit vol energie en we doen er alles aan om die energie op te vangen en goed te gebruiken.Hoewel we het beter hebben gedaan in de transitie naar hernieuwbare energie, hebben we niet veel vooruitgang geboekt bij de opslag van energie.
Momenteel zijn lithium-ionbatterijen de hoogste standaard op het gebied van batterijtechnologie.Deze batterij lijkt de beste energiedichtheid, een hoog rendement (ongeveer 99%) en een lange levensduur te hebben.
Zo wat is er mis?Naarmate de hernieuwbare energie die we opvangen blijft groeien, is de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen niet langer voldoende.
Omdat we batterijen in batches kunnen blijven produceren, lijkt dit geen groot probleem, maar het probleem is dat lithium een relatief zeldzaam metaal is, dus de kosten ervan zijn niet laag.Hoewel de productiekosten van batterijen dalen, neemt ook de behoefte aan energieopslag snel toe.
We hebben een punt bereikt waarop, zodra de lithium-ionbatterij wordt vervaardigd, deze een enorme impact zal hebben op de energie-industrie.
De hogere energiedichtheid van fossiele brandstoffen is een feit, en dit is een enorme beïnvloedende factor die de transitie naar een totale afhankelijkheid van hernieuwbare energie belemmert.We hebben batterijen nodig die meer energie uitstoten dan ons gewicht.
Hoe lithium-ionbatterijen werken
Het werkingsmechanisme van lithiumbatterijen is vergelijkbaar met gewone chemische AA- of AAA-batterijen.Ze hebben anode- en kathode-aansluitingen en een elektrolyt ertussen.In tegenstelling tot gewone batterijen is de ontladingsreactie bij een lithium-ionbatterij omkeerbaar, zodat de batterij herhaaldelijk kan worden opgeladen.
De kathode (+ aansluiting) is gemaakt van lithiumijzerfosfaat, de anode (-aansluiting) is gemaakt van grafiet en grafiet is gemaakt van koolstof.Elektriciteit is niets anders dan de stroom van elektronen.Deze batterijen wekken elektriciteit op door lithiumionen tussen de anode en kathode te verplaatsen.
Wanneer ze zijn opgeladen, verplaatsen de ionen zich naar de anode, en wanneer ze worden ontladen, lopen de ionen naar de kathode.
Deze beweging van ionen veroorzaakt de beweging van elektronen in het circuit, dus de beweging van lithiumionen en de beweging van elektronen zijn gerelateerd.
Siliciumanodebatterij
Veel grote autobedrijven zoals BMW hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van siliciumanodebatterijen.Net als gewone lithium-ionbatterijen gebruiken deze batterijen lithiumanodes, maar in plaats van op koolstof gebaseerde anodes gebruiken ze silicium.
Als anode is silicium beter dan grafiet, omdat er vier koolstofatomen nodig zijn om lithium vast te houden, en één siliciumatoom kan vier lithiumionen bevatten.Dit is een grote upgrade... waardoor silicium drie keer sterker is dan grafiet.
Toch is het gebruik van lithium nog steeds een tweesnijdend zwaard.Dit materiaal is nog steeds duur, maar het is ook gemakkelijker om productiefaciliteiten over te zetten naar siliciumcellen.Als de batterijen totaal anders zijn, zal de fabriek volledig opnieuw ontworpen moeten worden, waardoor de aantrekkelijkheid van het overstappen iets afneemt.
Siliciumanodes worden gemaakt door zand te behandelen om puur silicium te produceren, maar het grootste probleem waarmee onderzoekers momenteel worden geconfronteerd is dat siliciumanodes opzwellen wanneer ze worden gebruikt.Hierdoor kan de batterij te snel verslechteren.Het is ook moeilijk om anodes in massa te produceren.
Grafeen batterij
Grafeen is een soort koolstofvlokken die hetzelfde materiaal gebruiken als een potlood, maar het kost veel tijd om grafiet aan de vlokken te hechten.Grafeen wordt geprezen om zijn uitstekende prestaties in veel gebruikssituaties, en batterijen zijn daar een van.
Sommige bedrijven werken aan grafeenbatterijen die binnen enkele minuten volledig kunnen worden opgeladen en 33 keer sneller kunnen ontladen dan lithium-ionbatterijen.Voor elektrische voertuigen is dit van grote waarde.
Schuim batterij
Momenteel zijn traditionele batterijen tweedimensionaal.Ze zijn gestapeld als een lithiumbatterij of opgerold als een typische AA- of lithium-ionbatterij.
De schuimbatterij is een nieuw concept dat de beweging van elektrische lading in de 3D-ruimte omvat.
Deze driedimensionale structuur kan de oplaadtijd versnellen en de energiedichtheid verhogen, dit zijn uiterst belangrijke eigenschappen van de batterij.Vergeleken met de meeste andere batterijen bevatten schuimbatterijen geen schadelijke vloeibare elektrolyten.
Schuimbatterijen gebruiken vaste elektrolyten in plaats van vloeibare elektrolyten.Deze elektrolyt geleidt niet alleen lithiumionen, maar isoleert ook andere elektronische apparaten.
De anode die de negatieve lading van de batterij vasthoudt, is gemaakt van geschuimd koper en bedekt met het benodigde actieve materiaal.
Rond de anode wordt vervolgens een vaste elektrolyt aangebracht.
Ten slotte wordt een zogenaamde “positieve pasta” gebruikt om de gaten in de batterij op te vullen.
Aluminiumoxide-batterij
Deze batterijen hebben een van de grootste energiedichtheden van alle batterijen.De energie is krachtiger en lichter dan de huidige lithium-ionbatterijen.Sommige mensen beweren dat deze batterijen 2.000 kilometer aan elektrische voertuigen kunnen leveren.Wat is dit concept?Ter referentie: het maximale vaarbereik van Tesla bedraagt ongeveer 600 kilometer.
Het probleem met deze batterijen is dat ze niet kunnen worden opgeladen.Ze produceren aluminiumhydroxide en geven energie vrij door de reactie van aluminium en zuurstof in een elektrolyt op waterbasis.Het gebruik van batterijen verbruikt aluminium als anode.
Natrium batterij
Momenteel werken Japanse wetenschappers aan het maken van batterijen die natrium gebruiken in plaats van lithium.
Dit zou ontwrichtend zijn, aangezien natriumbatterijen theoretisch zeven keer efficiënter zijn dan lithiumbatterijen.Een ander groot voordeel is dat natrium het zesde rijkste element in de aardse reserves is, vergeleken met lithium, dat een zeldzaam element is.
Posttijd: 02 december 2019