Бележка на редактора: Електрическите технологии са бъдещето на зелената земя, а батерийната технология е основата на електрическите технологии и ключът към ограничаването на мащабното развитие на електрическите технологии. Настоящата основна технология за батерии са литиево-йонните батерии, които имат добра енергийна плътност и висока ефективност. Литият обаче е рядък елемент с висока цена и ограничени ресурси. В същото време, с нарастващото използване на възобновяеми енергийни източници, енергийната плътност на литиево-йонните батерии вече не е достатъчна. Как да се отговори? Маянк Джайн направи преглед на някои батерийни технологии, които могат да бъдат използвани в бъдеще. Оригиналната статия е публикувана в Medium със заглавие: Бъдещето на батерийните технологии.
Земята е пълна с енергия и ние правим всичко възможно, за да уловим и използваме добре тази енергия. Въпреки че се справихме по-добре в прехода към възобновяема енергия, не сме постигнали голям напредък в съхранението на енергия.
В момента най-високият стандарт в технологията на батериите са литиево-йонните батерии. Тези батерии изглежда имат най-добра енергийна плътност, висока ефективност (около 99%) и дълъг живот.
И така, какво не е наред? Тъй като възобновяемата енергия, която улавяме, продължава да расте, енергийната плътност на литиево-йонните батерии вече не е достатъчна.
Тъй като можем да продължим да произвеждаме батерии на партиди, това не изглежда да е голям проблем, но проблемът е, че литият е сравнително рядък метал, така че цената му не е ниска. Въпреки че производствените разходи за батерии намаляват, нуждата от съхранение на енергия също се увеличава бързо.
Стигнахме до момент, в който след като литиево-йонната батерия бъде произведена, тя ще окаже огромно влияние върху енергийната индустрия.
По-високата енергийна плътност на изкопаемите горива е факт и това е огромен влияещ фактор, който възпрепятства прехода към пълна зависимост от възобновяема енергия. Нуждаем се от батерии, които отделят повече енергия от нашето тегло.
Как работят литиево-йонните батерии
Механизмът на работа на литиевите батерии е подобен на обикновените химически батерии тип AA или AAA. Те имат аноден и катоден извод и електролит между тях. За разлика от обикновените батерии, реакцията на разреждане в литиево-йонната батерия е обратима, така че батерията може да се презарежда многократно.
Катодът (+ терминал) е направен от литиево-железен фосфат, анодът (- терминал) е направен от графит, а графитът е направен от въглерод. Електричеството е просто поток от електрони. Тези батерии генерират електричество чрез преместване на литиеви йони между анода и катода.
Когато се заредят, йоните се придвижват към анода, а когато се разредят, йоните се насочват към катода.
Това движение на йони причинява движението на електрони във веригата, така че движението на литиевите йони и движението на електроните са свързани.
Силициева анодна батерия
Много големи автомобилни компании, като BMW, инвестират в разработването на силициеви анодни батерии. Подобно на обикновените литиево-йонни батерии, тези батерии използват литиеви аноди, но вместо аноди на въглеродна основа, те използват силиций.
Като анод, силицийът е по-добър от графита, защото изисква 4 въглеродни атома, за да задържи литий, а 1 силициев атом може да задържи 4 литиеви йона. Това е голямо подобрение... което прави силиция 3 пъти по-здрав от графита.
Въпреки това, използването на литий все още е нож с две остриета. Този материал е все още скъп, но е по-лесно и производствените мощности да се прехвърлят към силициеви клетки. Ако батериите са напълно различни, фабриката ще трябва да бъде изцяло препроектирана, което ще доведе до леко намаляване на привлекателността на преминаването.
Силициевите аноди се произвеждат чрез обработка на пясък за получаване на чист силиций, но най-големият проблем, с който се сблъскват изследователите в момента, е, че силициевите аноди се набъбват при употреба. Това може да доведе до твърде бързо износване на батерията. Също така е трудно да се произвеждат масово аноди.
Графенова батерия
Графенът е вид въглеродни люспи, които използват същия материал като молив, но закрепването на графита към люспите отнема много време. Графенът е хвален за отличните си характеристики в много случаи на употреба, а батериите са една от тях.
Някои компании работят върху графенови батерии, които могат да се заредят напълно за минути и да се разредят 33 пъти по-бързо от литиево-йонните батерии. Това е от голяма полза за електрическите превозни средства.
Пяна батерия
В момента традиционните батерии са двуизмерни. Те са или подредени като литиева батерия, или навити като типична AA или литиево-йонна батерия.
Пяната батерия е нова концепция, която включва движението на електрически заряд в 3D пространство.
Тази триизмерна структура може да ускори времето за зареждане и да увеличи енергийната плътност, което са изключително важни качества на батерията. В сравнение с повечето други батерии, пяновите батерии нямат вредни течни електролити.
Пяновите батерии използват твърди електролити вместо течни. Този електролит не само провежда литиеви йони, но и изолира други електронни устройства.
Анодът, който държи отрицателния заряд на батерията, е изработен от разпенена мед и покрит с необходимия активен материал.
След това около анода се нанася твърд електролит.
Накрая се използва така наречената „положителна паста“, за да се запълнят празнините във вътрешността на батерията.
Алуминиев оксиден акумулатор
Тези батерии имат една от най-големите енергийни плътности в сравнение с всички батерии. Енергията им е по-мощна и по-лека от тази на сегашните литиево-йонни батерии. Някои хора твърдят, че тези батерии могат да осигурят 2000 километра пробег на електрически превозни средства. Какво представлява тази концепция? За справка, максималният пробег на Tesla е около 600 километра.
Проблемът с тези батерии е, че не могат да се зареждат. Те произвеждат алуминиев хидроксид и освобождават енергия чрез реакцията на алуминий и кислород във воден електролит. Използването на батерии изразходва алуминий като анод.
Натриева батерия
В момента японски учени работят върху създаването на батерии, които използват натрий вместо литий.
Това би било революционно, тъй като натриевите батерии теоретично са 7 пъти по-ефективни от литиевите. Друго огромно предимство е, че натрият е шестият най-богат елемент в земните резерви, в сравнение с лития, който е рядък елемент.
Време на публикуване: 02 декември 2019 г.