Примітка редактора: електричні технології – це майбутнє зеленої землі, а технологія акумуляторів – це основа електричних технологій і ключ до обмеження широкомасштабного розвитку електричних технологій. Поточна основна технологія акумуляторів – це літій-іонні акумулятори, які мають хорошу щільність енергії та високу ефективність. Однак літій є рідкісним елементом з високою вартістю та обмеженими ресурсами. У той же час, оскільки використання відновлюваних джерел енергії зростає, щільність енергії літій-іонних батарей стає недостатньою. як відповісти? Mayank Jain підібрав деякі технології акумуляторів, які можуть бути використані в майбутньому. Оригінальна стаття була опублікована на носії під назвою: The Future of Battery Technology
Земля сповнена енергії, і ми робимо все можливе, щоб уловити та ефективно використовувати цю енергію. Хоча ми зробили кращу роботу з переходом на відновлювані джерела енергії, ми не досягли значного прогресу в зберіганні енергії.
На даний момент найвищим стандартом технології акумуляторів є літій-іонні акумулятори. Здається, ця батарея має найкращу щільність енергії, високий ККД (близько 99%) і довгий термін служби.
Так що не так? Оскільки відновлювана енергія, яку ми збираємо, продовжує зростати, щільність енергії літій-іонних батарей стає недостатньою.
Оскільки ми можемо продовжувати виробляти батареї серійно, це, здається, не є великою проблемою, але проблема в тому, що літій є відносно рідкісним металом, тому його вартість не є низькою. Хоча витрати на виробництво акумуляторів падають, потреба в накопиченні енергії також швидко зростає.
Ми досягли точки, коли виготовлення літій-іонної батареї матиме величезний вплив на енергетичну галузь.
Вища енергетична щільність викопного палива є фактом, і це є величезним фактором впливу, який перешкоджає переходу до повної залежності від відновлюваної енергії. Нам потрібні батареї, які випромінюють більше енергії, ніж наша вага.
Як працюють літій-іонні акумулятори
Механізм роботи літієвих батарей схожий на звичайні хімічні батарейки типу АА або ААА. Вони мають анод і катод, а між ними електроліт. На відміну від звичайних акумуляторів, реакція розряду в літій-іонному акумуляторі є оборотною, тому акумулятор можна заряджати багаторазово.
Катод (+ термінал) виготовлений із фосфату заліза літію, анод (- термінал) — із графіту, а графіт — із вуглецю. Електрика - це просто потік електронів. Ці батареї виробляють електрику шляхом переміщення іонів літію між анодом і катодом.
При заряді іони рухаються до анода, а при розряді – до катода.
Цей рух іонів викликає рух електронів у ланцюзі, тому рух іонів літію та рух електронів пов’язані.
Силіконовий анодний акумулятор
Багато великих автомобільних компаній, таких як BMW, інвестували в розробку акумуляторів з кремнієвим анодом. Як і звичайні літій-іонні батареї, ці батареї використовують літієві аноди, але замість вугільних анодів вони використовують кремній.
Як анод кремній кращий за графіт, тому що йому потрібні 4 атоми вуглецю, щоб утримувати літій, а 1 атом кремнію може утримувати 4 іони літію. Це суттєве оновлення… завдяки чому кремній утричі міцніший за графіт.
Тим не менш, використання літію все ще залишається палкою з двома кінцями. Цей матеріал поки що дорогий, але також простіше перевести виробництво на кремнієві комірки. Якщо батареї зовсім інші, завод доведеться повністю переробляти, що трохи знизить привабливість перемикання.
Кремнієві аноди виготовляються шляхом обробки піску для отримання чистого кремнію, але найбільша проблема, з якою зараз стикаються дослідники, полягає в тому, що кремнієві аноди розбухають під час використання. Це може призвести до швидкого розряду акумулятора. Також важко масово виробляти аноди.
Графенова батарея
Графен — це різновид вуглецевих пластівців, у яких використовується той самий матеріал, що й олівець, але прикріплення графіту до пластівців вимагає багато часу. Графен хвалять за його чудову продуктивність у багатьох випадках використання, і батареї є одним із них.
Деякі компанії працюють над графеновими батареями, які можна повністю зарядити за лічені хвилини та розрядити в 33 рази швидше, ніж літій-іонні батареї. Це має велике значення для електромобілів.
Пінний акумулятор
В даний час традиційні батареї є двовимірними. Вони або складаються, як літієва батарея, або згортаються, як звичайна AA або літій-іонна батарея.
Пінна батарея - це нова концепція, яка передбачає рух електричного заряду в 3D-просторі.
Ця тривимірна структура може прискорити час заряджання та збільшити щільність енергії, це надзвичайно важливі якості батареї. Порівняно з більшістю інших акумуляторів, пінопластові акумулятори не містять шкідливих рідких електролітів.
Пінні батареї використовують тверді електроліти замість рідких електролітів. Цей електроліт не тільки проводить іони літію, але й ізолює інші електронні пристрої.
Анод, який утримує негативний заряд батареї, виготовлений зі спіненої міді та покритий необхідним активним матеріалом.
Потім навколо анода наноситься твердий електроліт.
Нарешті, так звана «позитивна паста» використовується для заповнення проміжків всередині акумулятора.
Алюмінієво-оксидний акумулятор
Ці батареї мають одну з найбільших щільностей енергії серед усіх батарей. Його енергія потужніша та легша, ніж поточні літій-іонні батареї. Деякі люди стверджують, що ці батареї можуть забезпечити 2000 кілометрів електромобілів. Що це за концепція? Для довідки, максимальна дальність плавання Tesla становить близько 600 кілометрів.
Проблема цих батарей полягає в тому, що їх неможливо зарядити. Вони виробляють гідроксид алюмінію та виділяють енергію в результаті реакції алюмінію та кисню в електроліті на водній основі. Використання акумуляторів споживає алюміній як анод.
Натрієвий акумулятор
В даний час японські вчені працюють над створенням акумуляторів, які використовують натрій замість літію.
Це було б руйнівним, оскільки натрієві батареї теоретично в 7 разів ефективніші за літієві. Ще однією великою перевагою є те, що натрій є шостим найбагатшим елементом у земних запасах порівняно з літієм, який є рідкісним елементом.
Час публікації: 02 грудня 2019 р