Заўвага рэдактара: Электратэхналогіі — гэта будучыня зялёнай зямлі, а тэхналогія акумулятараў — гэта аснова электратэхналогій і ключ да абмежавання маштабнага развіцця электратэхналогій. Сучаснай асноўнай тэхналогіяй акумулятараў з'яўляюцца літый-іённыя акумулятары, якія маюць добрую шчыльнасць энергіі і высокую эфектыўнасць. Аднак літый — рэдкі элемент з высокім коштам і абмежаванымі рэсурсамі. У той жа час, па меры росту выкарыстання аднаўляльных крыніц энергіі, шчыльнасць энергіі літый-іённых акумулятараў больш недастатковая. Як рэагаваць? Маянк Джайн падвёў вынікі некаторых тэхналогій акумулятараў, якія могуць быць выкарыстаны ў будучыні. Арыгінальны артыкул быў апублікаваны на Medium пад назвай: Будучыня тэхналогіі акумулятараў.
Зямля поўная энергіі, і мы робім усё магчымае, каб злавіць і эфектыўна выкарыстоўваць гэтую энергію. Нягледзячы на тое, што мы лепш перайшлі на аднаўляльныя крыніцы энергіі, мы не дасягнулі значнага прагрэсу ў яе захоўванні.
У цяперашні час найвышэйшым стандартам тэхналогіі акумулятараў з'яўляюцца літый-іённыя акумулятары. Гэтыя акумулятары, здаецца, маюць найлепшую шчыльнасць энергіі, высокую эфектыўнасць (каля 99%) і працяглы тэрмін службы.
Дык што ж не так? Паколькі аб'ём аднаўляльнай энергіі, якую мы атрымліваем, працягвае расці, шчыльнасць энергіі літый-іённых акумулятараў больш недастатковая.
Паколькі мы можам працягваць вырабляць акумулятары партыямі, гэта не здаецца вялікай праблемай, але праблема ў тым, што літый — адносна рэдкі метал, таму яго кошт не нізкі. Нягледзячы на тое, што выдаткі на вытворчасць акумулятараў зніжаюцца, патрэба ў назапашванні энергіі таксама хутка расце.
Мы дайшлі да таго моманту, калі пасля таго, як літый-іённыя акумулятары будуць выраблены, яны акажуць велізарны ўплыў на энергетычную прамысловасць.
Больш высокая шчыльнасць энергіі выкапнёвага паліва — гэта факт, і гэта велізарны фактар, які перашкаджае пераходу да поўнай залежнасці ад аднаўляльных крыніц энергіі. Нам патрэбныя батарэі, якія выпраменьваюць больш энергіі, чым наша вага.
Як працуюць літый-іённыя акумулятары
Механізм працы літыевых акумулятараў падобны да звычайных хімічных акумулятараў тыпу АА або ААА. У іх ёсць анодны і катодны вывады, а таксама электраліт паміж імі. У адрозненне ад звычайных акумулятараў, рэакцыя разраду ў літый-іённым акумулятары з'яўляецца зварачальнай, таму акумулятар можна зараджаць неаднаразова.
Катод (+ вывад) выраблены з фасфату літыя і жалеза, анод (-вывад) — з графіту, а графіт — з вугляроду. Электрычнасць — гэта проста паток электронаў. Гэтыя батарэі генеруюць электрычнасць, перамяшчаючы іёны літыя паміж анодам і катодам.
Пры зарадцы іёны рухаюцца да анода, а пры разрадцы — да катода.
Гэты рух іонаў выклікае рух электронаў у ланцугу, таму рух іонаў літыя і рух электронаў звязаныя.
Крэмніевая анодная батарэя
Шматлікія буйныя аўтамабільныя кампаніі, такія як BMW, інвестуюць у распрацоўку крэмніевых анодных акумулятараў. Як і звычайныя літый-іённыя акумулятары, гэтыя акумулятары выкарыстоўваюць літыевыя аноды, але замест вугляродных анодаў у іх выкарыстоўваюцца крэмніевыя.
У якасці анода крэмній лепшы за графіт, бо для ўтрымання літыя патрабуецца 4 атамы вугляроду, а 1 атам крэмнію можа ўтрымліваць 4 іёны літыя. Гэта значнае паляпшэнне… дзякуючы яму крэмній у 3 разы мацнейшы за графіт.
Тым не менш, выкарыстанне літыя — гэта палка з двума канцамі. Гэты матэрыял усё яшчэ дарагі, але і перанесці вытворчыя магутнасці на крэмніевыя элементы прасцей. Калі батарэі будуць зусім іншымі, завод прыйдзецца цалкам перапраектоўваць, што прывядзе да таго, што прывабнасць пераходу крыху знізіцца.
Крэмніевыя аноды вырабляюцца шляхам апрацоўкі пяску для атрымання чыстага крэмнію, але найбольшая праблема, з якой сутыкаюцца даследчыкі ў цяперашні час, заключаецца ў тым, што крэмніевыя аноды набракаюць пры выкарыстанні. Гэта можа прывесці да занадта хуткай дэградацыі батарэі. Таксама цяжка вырабляць аноды масава.
Графенавая батарэя
Графен — гэта тып вугляродных пласцінак, для вырабу якіх выкарыстоўваецца той жа матэрыял, што і для алоўка, але на іх нанясенне патрабуецца шмат часу. Графен цэняць за яго выдатную прадукцыйнасць у многіх выпадках выкарыстання, і батарэі — адзін з іх.
Некаторыя кампаніі працуюць над графенавымі батарэямі, якія можна цалкам зарадзіць за лічаныя хвіліны і разрадзіць у 33 разы хутчэй, чым літый-іённыя батарэі. Гэта вельмі карысна для электрамабіляў.
Пенапластавая батарэя
У цяперашні час традыцыйныя батарэі маюць двухмерную форму. Яны альбо складаюцца ў стопку, як літыевыя батарэі, альбо згортваюцца ў рулон, як звычайныя батарэі тыпу АА або літый-іённыя батарэі.
Пенная батарэя — гэта новая канцэпцыя, якая прадугледжвае рух электрычнага зарада ў трохмернай прасторы.
Гэтая трохмерная структура можа паскорыць час зарадкі і павялічыць шчыльнасць энергіі — гэта надзвычай важныя якасці акумулятара. У параўнанні з большасцю іншых акумулятараў, пенапластавыя акумулятары не ўтрымліваюць шкодных вадкіх электралітаў.
У пенапластавых батарэях выкарыстоўваюцца цвёрдыя электраліты замест вадкіх. Гэты электраліт не толькі праводзіць іоны літыя, але і ізалюе іншыя электронныя прылады.
Анод, які ўтрымлівае адмоўны зарад батарэі, выраблены з пенапласту медзі і пакрыты неабходным актыўным матэрыялам.
Затым вакол анода наносяць цвёрды электраліт.
Нарэшце, для запаўнення прабелаў унутры батарэі выкарыстоўваецца так званая «пазітыўная паста».
Акумулятар з аксіду алюмінію
Гэтыя акумулятары маюць адну з найбольшых шчыльнасцей энергіі сярод усіх акумулятараў. Яны маюць большую магутнасць і лягчэйшую энергію, чым сучасныя літый-іённыя акумулятары. Некаторыя сцвярджаюць, што гэтыя акумулятары могуць забяспечыць 2000 кіламетраў прабегу электрамабіляў. Што гэта за канцэпцыя? Для даведкі, максімальная далёкасць ходу Tesla складае каля 600 кіламетраў.
Праблема гэтых акумулятараў у тым, што іх нельга зараджаць. Яны выпрацоўваюць гідраксід алюмінію і вызваляюць энергію ў выніку рэакцыі алюмінію і кіслароду ў электраліце на воднай аснове. Пры выкарыстанні акумулятараў алюміній спажываецца ў якасці анода.
Натрыевая батарэя
У цяперашні час японскія навукоўцы працуюць над стварэннем акумулятараў, якія выкарыстоўваюць натрый замест літыю.
Гэта было б рэвалюцыйным, бо натрыевыя батарэі тэарэтычна ў 7 разоў больш эфектыўныя, чым літыевыя. Яшчэ адна вялікая перавага заключаецца ў тым, што натрый з'яўляецца шостым па багатасці элементам у запасах Зямлі ў параўнанні з літыем, які з'яўляецца рэдкім элементам.
Час публікацыі: 02 снежня 2019 г.