Примечание редактора: электрические технологии – это будущее зеленой земли, а аккумуляторные технологии – это основа электрических технологий и ключ к ограничению крупномасштабного развития электрических технологий. В настоящее время основной технологией производства аккумуляторов являются литий-ионные аккумуляторы, которые обладают хорошей плотностью энергии и высоким КПД. Однако литий — редкий элемент с высокой стоимостью и ограниченными ресурсами. В то же время по мере роста использования возобновляемых источников энергии плотность энергии литий-ионных аккумуляторов становится недостаточной. как ответить? Маянк Джайн подвел итоги некоторых аккумуляторных технологий, которые могут быть использованы в будущем. Оригинальная статья была опубликована на носителе под названием: Будущее аккумуляторных технологий.
Земля полна энергии, и мы делаем все возможное, чтобы уловить и эффективно использовать эту энергию. Хотя мы добились большего успеха в переходе на возобновляемые источники энергии, мы не добились большого прогресса в хранении энергии.
В настоящее время высшим стандартом аккумуляторной технологии являются литий-ионные аккумуляторы. Эта батарея имеет лучшую плотность энергии, высокий КПД (около 99%) и длительный срок службы.
Так что же не так? Поскольку количество возобновляемой энергии, которую мы улавливаем, продолжает расти, плотность энергии литий-ионных батарей уже недостаточна.
Поскольку мы можем и дальше производить аккумуляторы партиями, вроде бы в этом нет ничего страшного, но проблема в том, что литий — относительно редкий металл, поэтому его стоимость не низкая. Хотя затраты на производство аккумуляторов падают, потребность в хранении энергии также быстро растет.
Мы достигли точки, когда, как только литий-ионный аккумулятор будет изготовлен, он окажет огромное влияние на энергетическую отрасль.
Более высокая энергетическая плотность ископаемого топлива – это факт, и это огромный влияющий фактор, препятствующий переходу к тотальной зависимости от возобновляемых источников энергии. Нам нужны батареи, которые излучают больше энергии, чем наш вес.
Как работают литий-ионные аккумуляторы
Механизм работы литиевых батарей аналогичен обычным химическим батареям типа АА или ААА. У них есть анодные и катодные клеммы, а между ними находится электролит. В отличие от обычных аккумуляторов, реакция разряда в литий-ионном аккумуляторе обратима, поэтому аккумулятор можно заряжать неоднократно.
Катод (+ клемма) изготовлен из фосфата лития-железа, анод (- клемма) изготовлен из графита, а графит изготовлен из углерода. Электричество – это просто поток электронов. Эти батареи генерируют электричество, перемещая ионы лития между анодом и катодом.
При заряде ионы движутся к аноду, а при разряде ионы бегут к катоду.
Это движение ионов вызывает движение электронов в цепи, поэтому движение ионов лития и движение электронов связаны.
Кремниевый анодный аккумулятор
Многие крупные автомобильные компании, такие как BMW, инвестируют в разработку аккумуляторов с кремниевым анодом. Как и обычные литий-ионные аккумуляторы, в этих батареях используются литиевые аноды, но вместо углеродных анодов используются кремниевые.
В качестве анода кремний лучше графита, поскольку для удержания лития требуется 4 атома углерода, а 1 атом кремния может удерживать 4 иона лития. Это серьезное обновление… делает кремний в 3 раза прочнее графита.
Тем не менее, использование лития по-прежнему является палкой о двух концах. Этот материал пока дорогой, но и перевести производство на кремниевые элементы проще. Если батареи будут совсем другими, завод придется полностью перепроектировать, из-за чего привлекательность переключения несколько снизится.
Кремниевые аноды изготавливаются путем обработки песка для получения чистого кремния, но самая большая проблема, с которой в настоящее время сталкиваются исследователи, заключается в том, что кремниевые аноды разбухают при использовании. Это может привести к слишком быстрому выходу из строя аккумулятора. Массовое производство анодов также затруднено.
Графеновый аккумулятор
Графен — это разновидность углеродных чешуек, в которых используется тот же материал, что и в карандаше, но прикрепление графита к чешуйкам требует много времени. Графен хвалят за его отличные характеристики во многих случаях использования, и батареи — один из них.
Некоторые компании работают над графеновыми батареями, которые можно полностью заряжать за считанные минуты и разряжать в 33 раза быстрее, чем литий-ионные батареи. Это имеет большое значение для электромобилей.
Пенная батарея
В настоящее время традиционные батареи являются двумерными. Они либо сложены, как литиевая батарея, либо свернуты, как обычная батарея типа АА или литий-ионная батарея.
Пенная батарея — это новая концепция, которая предполагает движение электрического заряда в трехмерном пространстве.
Эта трехмерная структура может ускорить время зарядки и увеличить плотность энергии — это чрезвычайно важные качества аккумулятора. По сравнению с большинством других аккумуляторов, пенопластовые аккумуляторы не содержат вредных жидких электролитов.
В пенопластовых батареях вместо жидких электролитов используются твердые электролиты. Этот электролит не только проводит ионы лития, но и изолирует другие электронные устройства.
Анод, удерживающий отрицательный заряд аккумулятора, изготовлен из вспененной меди и покрыт необходимым активным материалом.
Затем вокруг анода наносится твердый электролит.
Наконец, для заполнения зазоров внутри аккумулятора используется так называемая «позитивная паста».
Алюминиевая батарея
Эти батареи имеют одну из самых больших плотностей энергии среди всех батарей. Его энергия более мощная и легкая, чем у нынешних литий-ионных батарей. Некоторые утверждают, что эти батареи способны обеспечить пробег электромобиля на 2000 километров. Что это за концепция? Для справки: максимальный запас хода Теслы составляет около 600 километров.
Проблема этих аккумуляторов в том, что их нельзя заряжать. Они производят гидроксид алюминия и выделяют энергию за счет реакции алюминия и кислорода в электролите на водной основе. При использовании аккумуляторов алюминий используется в качестве анода.
Натриевая батарея
В настоящее время японские ученые работают над созданием аккумуляторов, в которых вместо лития используется натрий.
Это было бы разрушительно, поскольку натриевые батареи теоретически в 7 раз эффективнее литиевых. Еще одним огромным преимуществом является то, что натрий является шестым по богатству элементом в запасах Земли по сравнению с литием, который является редким элементом.
Время публикации: 02 декабря 2019 г.