Nota wydawcy: Technologia elektryczna jest przyszłością zielonej ziemi, a technologia akumulatorów jest podstawą technologii elektrycznej i kluczem do ograniczenia rozwoju technologii elektrycznej na dużą skalę. Obecną technologią głównego nurtu akumulatorów są akumulatory litowo-jonowe, które charakteryzują się dobrą gęstością energii i wysoką wydajnością. Lit jest jednak rzadkim pierwiastkiem, którego koszt jest wysoki, a zasoby są ograniczone. Jednocześnie wraz ze wzrostem wykorzystania odnawialnych źródeł energii gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych nie jest już wystarczająca. jak odpowiedzieć? Mayank Jain podsumował niektóre technologie akumulatorów, które mogą zostać zastosowane w przyszłości. Oryginalny artykuł został opublikowany na nośniku pod tytułem: Przyszłość technologii akumulatorów
Ziemia jest pełna energii, a my robimy wszystko, co w naszej mocy, aby ją wychwycić i dobrze wykorzystać. Chociaż lepiej poradziliśmy sobie z przejściem na energię odnawialną, nie poczyniliśmy dużego postępu w zakresie magazynowania energii.
Obecnie najwyższym standardem technologii akumulatorów są akumulatory litowo-jonowe. Ten akumulator wydaje się mieć najlepszą gęstość energii, wysoką wydajność (około 99%) i długą żywotność.
Więc co jest nie tak? Ponieważ ilość wychwytywanej przez nas energii odnawialnej stale rośnie, gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych nie jest już wystarczająca.
Ponieważ możemy w dalszym ciągu produkować akumulatory partiami, nie wydaje się to wielkim problemem, jednak problem polega na tym, że lit jest metalem stosunkowo rzadkim, więc jego koszt nie jest niski. Chociaż koszty produkcji akumulatorów spadają, szybko rośnie również zapotrzebowanie na magazynowanie energii.
Dotarliśmy do punktu, w którym wyprodukowanie akumulatora litowo-jonowego będzie miało ogromny wpływ na branżę energetyczną.
Większa gęstość energetyczna paliw kopalnych jest faktem i jest to ogromny czynnik utrudniający przejście na całkowite uzależnienie od energii odnawialnej. Potrzebujemy akumulatorów, które emitują więcej energii niż nasza waga.
Jak działają akumulatory litowo-jonowe
Mechanizm działania baterii litowych jest podobny do zwykłych baterii chemicznych AA lub AAA. Mają końcówki anodowe i katodowe oraz elektrolit pomiędzy nimi. W przeciwieństwie do zwykłych akumulatorów, reakcja rozładowywania w akumulatorze litowo-jonowym jest odwracalna, dzięki czemu akumulator można ładować wielokrotnie.
Katoda (zacisk +) jest wykonana z fosforanu litowo-żelazowego, anoda (zacisk -) jest wykonana z grafitu, a grafit jest wykonany z węgla. Energia elektryczna to po prostu przepływ elektronów. Baterie te wytwarzają energię elektryczną poprzez przemieszczanie jonów litu pomiędzy anodą i katodą.
Po naładowaniu jony przemieszczają się do anody, a po rozładowaniu jony biegną do katody.
Ten ruch jonów powoduje ruch elektronów w obwodzie, więc ruch jonów litu i ruch elektronów są ze sobą powiązane.
Bateria z anodą krzemową
Wiele dużych firm samochodowych, takich jak BMW, inwestuje w rozwój akumulatorów z anodą krzemową. Podobnie jak zwykłe akumulatory litowo-jonowe, w tych akumulatorach zastosowano anody litowe, ale zamiast anod węglowych zastosowano w nich krzem.
Jako anoda krzem jest lepszy od grafitu, ponieważ do utrzymania litu potrzebne są 4 atomy węgla, a 1 atom krzemu może pomieścić 4 jony litu. To poważne ulepszenie… dzięki któremu krzem jest 3 razy mocniejszy niż grafit.
Niemniej jednak zastosowanie litu to nadal miecz obosieczny. Materiał ten jest wciąż drogi, ale łatwiej jest też przenieść zakłady produkcyjne na ogniwa krzemowe. Jeśli akumulatory będą zupełnie inne, fabryka będzie musiała zostać całkowicie przeprojektowana, co spowoduje nieznaczne zmniejszenie atrakcyjności przełączania.
Anody krzemowe wytwarza się poprzez obróbkę piasku w celu wytworzenia czystego krzemu, ale największym problemem, z jakim borykają się obecnie badacze, jest pęcznienie anod krzemowych podczas użytkowania. Może to spowodować zbyt szybką degradację akumulatora. Trudno jest również masowo produkować anody.
Bateria grafenowa
Grafen to rodzaj płatków węglowych, w których wykorzystuje się ten sam materiał co ołówek, ale przymocowanie grafitu do płatków zajmuje dużo czasu. Grafen jest chwalony za doskonałą wydajność w wielu zastosowaniach, a akumulatory są jednym z nich.
Niektóre firmy pracują nad akumulatorami grafenowymi, które można w pełni naładować w ciągu kilku minut i rozładować 33 razy szybciej niż akumulatory litowo-jonowe. Ma to ogromne znaczenie w przypadku pojazdów elektrycznych.
Bateria piankowa
Obecnie tradycyjne baterie są dwuwymiarowe. Są albo ułożone w stos jak bateria litowa, albo zwinięte jak typowa bateria AA lub litowo-jonowa.
Bateria piankowa to nowa koncepcja, która polega na przemieszczaniu ładunku elektrycznego w przestrzeni 3D.
Ta trójwymiarowa struktura może przyspieszyć czas ładowania i zwiększyć gęstość energii, to niezwykle ważne cechy akumulatora. W porównaniu z większością innych akumulatorów, akumulatory piankowe nie zawierają szkodliwych ciekłych elektrolitów.
Baterie piankowe wykorzystują elektrolity stałe zamiast elektrolitów ciekłych. Elektrolit ten nie tylko przewodzi jony litu, ale także izoluje inne urządzenia elektroniczne.
Anoda utrzymująca ładunek ujemny akumulatora jest wykonana ze spienionej miedzi i pokryta wymaganym materiałem aktywnym.
Następnie wokół anody nakładany jest stały elektrolit.
Na koniec do wypełnienia szczelin wewnątrz akumulatora stosuje się tak zwaną „pastę dodatnią”.
Bateria tlenku glinu
Baterie te mają jedną z największych gęstości energii spośród wszystkich baterii. Jego energia jest mocniejsza i lżejsza niż obecne akumulatory litowo-jonowe. Niektórzy twierdzą, że akumulatory te mogą zapewnić pojazdom elektrycznym przejechanie 2000 kilometrów. Jaka jest ta koncepcja? Dla porównania maksymalny zasięg Tesli wynosi około 600 kilometrów.
Problem z tymi akumulatorami polega na tym, że nie można ich naładować. Wytwarzają wodorotlenek glinu i uwalniają energię w wyniku reakcji aluminium i tlenu w elektrolicie na bazie wody. Używanie baterii powoduje zużycie aluminium jako anody.
Bateria sodowa
Obecnie japońscy naukowcy pracują nad wyprodukowaniem baterii wykorzystujących sód zamiast litu.
Byłoby to destrukcyjne, ponieważ baterie sodowe są teoretycznie 7 razy bardziej wydajne niż baterie litowe. Kolejną ogromną zaletą jest to, że sód jest szóstym najbogatszym pierwiastkiem w zasobach Ziemi w porównaniu do litu, który jest pierwiastkiem rzadkim.
Czas publikacji: 02-12-2019