Nota editorului: Tehnologia electrică este viitorul pământului verde, iar tehnologia bateriilor este fundamentul tehnologiei electrice și cheia limitării dezvoltării pe scară largă a tehnologiei electrice. Tehnologia curentă a bateriilor obișnuite este bateriile litiu-ion, care au o densitate de energie bună și o eficiență ridicată. Cu toate acestea, litiul este un element rar cu costuri ridicate și resurse limitate. În același timp, pe măsură ce utilizarea surselor de energie regenerabilă crește, densitatea energetică a bateriilor litiu-ion nu mai este suficientă. cum sa raspund? Mayank Jain a făcut un bilanț al unor tehnologii de baterii care ar putea fi utilizate în viitor. Articolul original a fost publicat pe mediu cu titlul: The Future of Battery Technology
Pământul este plin de energie și facem tot ce ne stă în putință pentru a captura și a folosi bine acea energie. Deși am făcut o treabă mai bună în tranziția la energia regenerabilă, nu am făcut prea multe progrese în stocarea energiei.
În prezent, cel mai înalt standard de tehnologie a bateriilor sunt bateriile litiu-ion. Această baterie pare să aibă cea mai bună densitate de energie, eficiență ridicată (aproximativ 99%) și viață lungă.
Deci ce sa întâmplat? Pe măsură ce energia regenerabilă pe care o captăm continuă să crească, densitatea energetică a bateriilor litiu-ion nu mai este suficientă.
Deoarece putem continua să producem baterii în loturi, acest lucru nu pare a fi mare lucru, dar problema este că litiul este un metal relativ rar, deci costul său nu este scăzut. Deși costurile de producție a bateriilor sunt în scădere, nevoia de stocare a energiei crește și ea rapid.
Am ajuns la un punct în care, odată ce bateria litiu-ion este fabricată, aceasta va avea un impact uriaș asupra industriei energetice.
Densitatea energetică mai mare a combustibililor fosili este un fapt, iar acesta este un factor de influență uriaș care împiedică tranziția către o dependență totală de energia regenerabilă. Avem nevoie de baterii care emit mai multă energie decât greutatea noastră.
Cum funcționează bateriile litiu-ion
Mecanismul de funcționare al bateriilor cu litiu este similar cu bateriile chimice AA sau AAA obișnuite. Au terminale anod și catodic și un electrolit între ele. Spre deosebire de bateriile obișnuite, reacția de descărcare într-o baterie litiu-ion este reversibilă, astfel încât bateria poate fi reîncărcată în mod repetat.
Catodul (+ terminal) este din fosfat de litiu fier, anodul (-terminal) este din grafit, iar grafitul este din carbon. Electricitatea este doar fluxul de electroni. Aceste baterii generează electricitate prin deplasarea ionilor de litiu între anod și catod.
Când sunt încărcați, ionii se deplasează la anod, iar când sunt descărcați, ionii se deplasează către catod.
Această mișcare a ionilor provoacă mișcarea electronilor în circuit, astfel încât mișcarea ionilor de litiu și mișcarea electronilor sunt legate.
Baterie cu anod de silicon
Multe companii mari de automobile precum BMW au investit în dezvoltarea bateriilor cu anod de siliciu. La fel ca bateriile obișnuite cu litiu-ion, aceste baterii folosesc anozi de litiu, dar în loc de anozi pe bază de carbon, folosesc siliciu.
Ca anod, siliciul este mai bun decât grafitul, deoarece necesită 4 atomi de carbon pentru a reține litiu, iar 1 atom de siliciu poate conține 4 ioni de litiu. Aceasta este o actualizare majoră... face siliciul de 3 ori mai puternic decât grafitul.
Cu toate acestea, utilizarea litiului este încă o sabie cu două tăișuri. Acest material este încă scump, dar este, de asemenea, mai ușor să transferați instalațiile de producție către celulele de siliciu. Dacă bateriile sunt complet diferite, fabrica va trebui să fie complet reproiectată, ceea ce va face ca atractivitatea comutării să fie ușor redusă.
Anozii de siliciu sunt fabricați prin tratarea nisipului pentru a produce siliciu pur, dar cea mai mare problemă cu care se confruntă cercetătorii în prezent este că anozii de siliciu se umflă atunci când sunt utilizați. Acest lucru poate face ca bateria să se degradeze prea repede. De asemenea, este dificil să se producă anozi în masă.
Baterie cu grafen
Grafenul este un tip de fulgi de carbon care folosește același material ca un creion, dar costă mult timp atașarea grafitului de fulgi. Grafenul este lăudat pentru performanța sa excelentă în multe cazuri de utilizare, iar bateriile sunt unul dintre ele.
Unele companii lucrează la baterii cu grafen care pot fi încărcate complet în câteva minute și se pot descărca de 33 de ori mai repede decât bateriile cu litiu-ion. Acest lucru este de mare valoare pentru vehiculele electrice.
Baterie cu spumă
În prezent, bateriile tradiționale sunt bidimensionale. Acestea sunt fie stivuite ca o baterie cu litiu, fie rulate ca o baterie tipică AA sau litiu-ion.
Bateria cu spumă este un concept nou care implică mișcarea sarcinii electrice în spațiul 3D.
Această structură tridimensională poate accelera timpul de încărcare și crește densitatea de energie, acestea sunt calități extrem de importante ale bateriei. În comparație cu majoritatea altor baterii, bateriile cu spumă nu au electroliți lichidi nocivi.
Bateriile cu spumă folosesc electroliți solizi în loc de electroliți lichizi. Acest electrolit nu numai că conduce ionii de litiu, dar izolează și alte dispozitive electronice.
Anodul care reține sarcina negativă a bateriei este realizat din cupru spumat și acoperit cu materialul activ necesar.
Un electrolit solid este apoi aplicat în jurul anodului.
În cele din urmă, o așa-numită „pastă pozitivă” este folosită pentru a umple golurile din interiorul bateriei.
Baterie cu oxid de aluminiu
Aceste baterii au una dintre cele mai mari densități de energie dintre orice baterie. Energia sa este mai puternică și mai ușoară decât bateriile litiu-ion actuale. Unii oameni susțin că aceste baterii pot asigura 2.000 de kilometri de vehicule electrice. Care este acest concept? Ca referință, autonomia maximă de croazieră a Tesla este de aproximativ 600 de kilometri.
Problema cu aceste baterii este că nu pot fi încărcate. Ele produc hidroxid de aluminiu și eliberează energie prin reacția aluminiului și oxigenului într-un electrolit pe bază de apă. Utilizarea bateriilor consumă aluminiu ca anod.
Baterie cu sodiu
În prezent, oamenii de știință japonezi lucrează la fabricarea de baterii care utilizează sodiu în loc de litiu.
Acest lucru ar fi perturbator, deoarece bateriile cu sodiu sunt teoretic de 7 ori mai eficiente decât bateriile cu litiu. Un alt avantaj uriaș este că sodiul este al șaselea cel mai bogat element din rezervele pământului, în comparație cu litiul, care este un element rar.
Ora postării: Dec-02-2019