Redaktörens anmärkning: Elteknik är framtiden för den gröna jorden, och batteriteknik är grunden för elteknik och nyckeln till att begränsa den storskaliga utvecklingen av elteknik. Den nuvarande vanliga batteriteknologin är litiumjonbatterier, som har god energitäthet och hög effektivitet. Litium är dock ett sällsynt grundämne med höga kostnader och begränsade resurser. Samtidigt, när användningen av förnybara energikällor växer, räcker inte längre energitätheten hos litiumjonbatterier. hur ska man svara? Mayank Jain har inventerat några batteriteknologier som kan komma att användas i framtiden. Originalartikeln publicerades på medium med titeln: The Future of Battery Technology
Jorden är full av energi, och vi gör allt vi kan för att fånga och utnyttja den energin på bästa sätt. Även om vi har gjort ett bättre jobb i omställningen till förnybar energi har vi inte gjort så mycket framsteg när det gäller att lagra energi.
För närvarande är den högsta standarden för batteriteknik litiumjonbatterier. Detta batteri verkar ha den bästa energitätheten, hög effektivitet (cirka 99%) och lång livslängd.
Så vad är det för fel? Eftersom den förnybara energin vi fångar upp fortsätter att växa, är energitätheten för litiumjonbatterier inte längre tillräcklig.
Eftersom vi kan fortsätta att producera batterier i omgångar verkar detta inte vara någon stor sak, men problemet är att litium är en relativt sällsynt metall, så kostnaden är inte låg. Även om produktionskostnaderna för batterier sjunker, ökar också behovet av energilagring snabbt.
Vi har nått en punkt där när litiumjonbatteriet väl är tillverkat kommer det att ha en enorm inverkan på energiindustrin.
Den högre energitätheten för fossila bränslen är ett faktum, och det är en enorm påverkansfaktor som hindrar övergången till ett totalt beroende av förnybar energi. Vi behöver batterier som avger mer energi än vår vikt.
Hur litiumjonbatterier fungerar
Arbetsmekanismen för litiumbatterier liknar vanliga AA- eller AAA-kemiska batterier. De har anod- och katodterminaler och en elektrolyt däremellan. Till skillnad från vanliga batterier är urladdningsreaktionen i ett litiumjonbatteri reversibel, så batteriet kan laddas om flera gånger.
Katoden (+-terminalen) är gjord av litiumjärnfosfat, anoden (-terminalen) är gjord av grafit och grafit är gjord av kol. Elektricitet är bara flödet av elektroner. Dessa batterier genererar elektricitet genom att flytta litiumjoner mellan anoden och katoden.
När de laddas, flyttar jonerna till anoden, och när de urladdas rinner jonerna till katoden.
Denna rörelse av joner orsakar rörelse av elektroner i kretsen, så litiumjonrörelse och elektronrörelse är relaterade.
Silikonanodbatteri
Många stora bilföretag som BMW har investerat i utvecklingen av kiselanodbatterier. Liksom vanliga litiumjonbatterier använder dessa batterier litiumanoder, men istället för kolbaserade anoder använder de kisel.
Som anod är kisel bättre än grafit eftersom det kräver 4 kolatomer för att hålla litium, och 1 kiselatom kan hålla 4 litiumjoner. Detta är en stor uppgradering ... vilket gör kisel 3 gånger starkare än grafit.
Ändå är användningen av litium fortfarande ett tveeggat svärd. Detta material är fortfarande dyrt, men det är också lättare att överföra produktionsanläggningar till kiselceller. Om batterierna är helt annorlunda måste fabriken göras om helt, vilket gör att attraktiviteten för att byta kommer att minska något.
Kiselanoder tillverkas genom att behandla sand för att producera rent kisel, men det största problemet som forskare för närvarande står inför är att kiselanoder sväller när de används. Detta kan göra att batteriet försämras för snabbt. Det är också svårt att massproducera anoder.
Grafen batteri
Grafen är en typ av kolflingor som använder samma material som en penna, men det kostar mycket tid att fästa grafit på flingorna. Grafen prisas för sin utmärkta prestanda i många användningsfall, och batterier är ett av dem.
Vissa företag arbetar med grafenbatterier som kan laddas helt på några minuter och laddas ur 33 gånger snabbare än litiumjonbatterier. Detta är av stort värde för elfordon.
Skumbatteri
För närvarande är traditionella batterier tvådimensionella. De är antingen staplade som ett litiumbatteri eller hoprullade som ett vanligt AA- eller litiumjonbatteri.
Skumbatteriet är ett nytt koncept som involverar förflyttning av elektrisk laddning i 3D-rymden.
Denna 3-dimensionella struktur kan påskynda laddningstiden och öka energitätheten, det är extremt viktiga egenskaper hos batteriet. Jämfört med de flesta andra batterier har skumbatterier inga skadliga flytande elektrolyter.
Skumbatterier använder fasta elektrolyter istället för flytande elektrolyter. Denna elektrolyt leder inte bara litiumjoner utan isolerar även andra elektroniska enheter.
Anoden som håller batteriets negativa laddning är gjord av skummad koppar och belagd med det aktiva materialet som krävs.
En fast elektrolyt appliceras sedan runt anoden.
Slutligen används en så kallad "positiv pasta" för att fylla luckorna inuti batteriet.
Batteri av aluminiumoxid
Dessa batterier har en av de största energitätheterna av alla batterier. Dess energi är kraftfullare och lättare än nuvarande litiumjonbatterier. Vissa människor hävdar att dessa batterier kan ge 2 000 kilometer elfordon. Vad är detta koncept? Som referens är Teslas maximala räckvidd cirka 600 kilometer.
Problemet med dessa batterier är att de inte går att ladda. De producerar aluminiumhydroxid och frigör energi genom reaktionen av aluminium och syre i en vattenbaserad elektrolyt. Användningen av batterier förbrukar aluminium som anod.
Natriumbatteri
För närvarande arbetar japanska forskare med att tillverka batterier som använder natrium istället för litium.
Detta skulle vara störande, eftersom natriumbatterier teoretiskt sett är 7 gånger effektivare än litiumbatterier. En annan stor fördel är att natrium är det sjätte rikaste grundämnet i jordens reserver, jämfört med litium, som är ett sällsynt grundämne.
Posttid: Dec-02-2019