Napomena urednika: Električna tehnologija je budućnost zelene Zemlje, a tehnologija baterija je temelj električne tehnologije i ključ za ograničavanje razvoja električne tehnologije velikih razmjera. Trenutna glavna tehnologija baterija su litijum-jonske baterije, koje imaju dobru gustinu energije i visoku efikasnost. Međutim, litijum je rijedak element sa visokom cijenom i ograničenim resursima. Istovremeno, kako upotreba obnovljivih izvora energije raste, gustina energije litijum-jonskih baterija više nije dovoljna. Kako odgovoriti? Mayank Jain je analizirao neke tehnologije baterija koje bi se mogle koristiti u budućnosti. Originalni članak je objavljen na Mediumu pod naslovom: Budućnost tehnologije baterija.
Zemlja je puna energije, a mi činimo sve što možemo da tu energiju uhvatimo i dobro iskoristimo. Iako smo uradili bolji posao u prelasku na obnovljive izvore energije, nismo ostvarili veliki napredak u skladištenju energije.
Trenutno, najviši standard tehnologije baterija su litijum-jonske baterije. Čini se da ove baterije imaju najbolju gustinu energije, visoku efikasnost (oko 99%) i dug vijek trajanja.
Pa šta nije u redu? Kako obnovljiva energija koju prikupljamo nastavlja rasti, gustina energije litijum-jonskih baterija više nije dovoljna.
Budući da možemo nastaviti proizvoditi baterije u serijama, to se ne čini velikim problemom, ali problem je što je litijum relativno rijedak metal, tako da njegova cijena nije niska. Iako troškovi proizvodnje baterija padaju, potreba za skladištenjem energije također brzo raste.
Došli smo do tačke u kojoj će, kada se litijum-jonska baterija jednom proizvede, imati ogroman uticaj na energetsku industriju.
Veća gustoća energije fosilnih goriva je činjenica, i to je ogroman faktor utjecaja koji ometa prelazak na potpunu ovisnost o obnovljivim izvorima energije. Potrebne su nam baterije koje emituju više energije od naše težine.
Kako funkcionišu litijum-jonske baterije
Mehanizam rada litijum-jonskih baterija sličan je običnim AA ili AAA hemijskim baterijama. Imaju anodni i katodni terminal i elektrolit između. Za razliku od običnih baterija, reakcija pražnjenja u litijum-jonskoj bateriji je reverzibilna, tako da se baterija može više puta puniti.
Katoda (+ terminal) je napravljena od litijum željeznog fosfata, anoda (-terminal) je napravljena od grafita, a grafit je napravljen od ugljika. Električna energija je samo protok elektrona. Ove baterije generiraju električnu energiju pomicanjem litijum jona između anode i katode.
Kada se napune, ioni se kreću prema anodi, a kada se prazne, ioni teku prema katodi.
Ovo kretanje iona uzrokuje kretanje elektrona u strujnom kolu, tako da su kretanje litijevih iona i kretanje elektrona povezani.
Silicijumska anodna baterija
Mnoge velike automobilske kompanije poput BMW-a ulažu u razvoj silikonskih anodnih baterija. Kao i obične litijum-jonske baterije, ove baterije koriste litijumske anode, ali umjesto anoda na bazi ugljika, koriste silicijum.
Kao anoda, silicijum je bolji od grafita jer su mu potrebna 4 atoma ugljika za držanje litijuma, a 1 atom silicijuma može držati 4 litijum iona. Ovo je veliko poboljšanje... što silicijum čini 3 puta jačim od grafita.
Ipak, upotreba litijuma je i dalje mač sa dvije oštrice. Ovaj materijal je i dalje skup, ali je i lakše prenijeti proizvodne pogone na silicijumske ćelije. Ako su baterije potpuno drugačije, fabrika će morati biti potpuno redizajnirana, što će uzrokovati da se atraktivnost prelaska malo smanji.
Silicijumske anode se prave tretiranjem pijeska kako bi se dobio čisti silicijum, ali najveći problem s kojim se istraživači trenutno suočavaju je taj što silicijumske anode bubre tokom upotrebe. To može uzrokovati prebrzu degradaciju baterije. Također je teško masovno proizvoditi anode.
Grafenska baterija
Grafen je vrsta ugljičnih pahuljica koje se izrađuju od istog materijala kao i olovka, ali je potrebno mnogo vremena da se grafit pričvrsti na pahuljice. Grafen je hvaljen zbog svojih odličnih performansi u mnogim slučajevima upotrebe, a baterije su jedna od njih.
Neke kompanije rade na grafenskim baterijama koje se mogu potpuno napuniti za nekoliko minuta i prazniti 33 puta brže od litijum-jonskih baterija. Ovo je od velike vrijednosti za električna vozila.
Pjenasta baterija
Trenutno su tradicionalne baterije dvodimenzionalne. One su ili složene poput litijum-jonske baterije ili smotane poput tipične AA ili litijum-jonske baterije.
Pjenasta baterija je novi koncept koji uključuje kretanje električnog naboja u 3D prostoru.
Ova trodimenzionalna struktura može ubrzati vrijeme punjenja i povećati gustoću energije, što su izuzetno važne osobine baterije. U poređenju s većinom drugih baterija, pjenaste baterije nemaju štetne tekuće elektrolite.
Pjenaste baterije koriste čvrste elektrolite umjesto tekućih elektrolita. Ovaj elektrolit ne samo da provodi litijum jone, već i izoluje druge elektronske uređaje.
Anoda koja drži negativni naboj baterije izrađena je od pjenastog bakra i obložena potrebnim aktivnim materijalom.
Zatim se oko anode nanosi čvrsti elektrolit.
Konačno, takozvana "pozitivna pasta" se koristi za popunjavanje praznina unutar baterije.
Baterija od aluminijum oksida
Ove baterije imaju jednu od najvećih gustoća energije od svih baterija. Njihova energija je snažnija i lakša od trenutnih litijum-jonskih baterija. Neki ljudi tvrde da ove baterije mogu obezbijediti 2.000 kilometara električnih vozila. Šta je ovaj koncept? Za referencu, maksimalni domet krstarenja Tesle je oko 600 kilometara.
Problem s ovim baterijama je što se ne mogu puniti. One proizvode aluminijev hidroksid i oslobađaju energiju reakcijom aluminija i kisika u elektrolitu na bazi vode. Korištenje baterija troši aluminij kao anodu.
Natrijumska baterija
Trenutno japanski naučnici rade na izradi baterija koje koriste natrijum umjesto litijuma.
Ovo bi bilo revolucionarno, jer su natrijumske baterije teoretski 7 puta efikasnije od litijumskih baterija. Još jedna ogromna prednost je što je natrijum šesti najbogatiji element u zemljinim rezervama, u poređenju sa litijumom, koji je rijedak element.
Vrijeme objave: 02.12.2019.