Nota de l'editor: La tecnologia elèctrica és el futur de la terra verda, i la tecnologia de bateries és la base de la tecnologia elèctrica i la clau per restringir el desenvolupament a gran escala de la tecnologia elèctrica. La tecnologia de bateries principal actual són les bateries de ions de liti, que tenen una bona densitat energètica i una alta eficiència. Tanmateix, el liti és un element rar amb un cost elevat i recursos limitats. Al mateix temps, a mesura que creix l'ús de fonts d'energia renovables, la densitat energètica de les bateries de ions de liti ja no és suficient. Com respondre? Mayank Jain ha fet balanç d'algunes tecnologies de bateries que es podrien utilitzar en el futur. L'article original es va publicar a medium amb el títol: El futur de la tecnologia de bateries.
La Terra és plena d'energia, i estem fent tot el possible per capturar i fer un bon ús d'aquesta energia. Tot i que hem fet una millor feina en la transició cap a les energies renovables, no hem fet gaires progressos en l'emmagatzematge d'energia.
Actualment, l'estàndard més alt de la tecnologia de bateries són les bateries de ions de liti. Aquesta bateria sembla tenir la millor densitat d'energia, alta eficiència (al voltant del 99%) i llarga vida útil.
Aleshores, què passa? A mesura que l'energia renovable que captem continua creixent, la densitat energètica de les bateries de ions de liti ja no és suficient.
Com que podem continuar produint bateries per lots, això no sembla ser un gran problema, però el problema és que el liti és un metall relativament rar, per la qual cosa el seu cost no és baix. Tot i que els costos de producció de bateries estan disminuint, la necessitat d'emmagatzematge d'energia també augmenta ràpidament.
Hem arribat a un punt en què, un cop fabricada la bateria de ions de liti, tindrà un gran impacte en la indústria energètica.
La major densitat energètica dels combustibles fòssils és un fet, i aquest és un factor d'influència enorme que dificulta la transició cap a una dependència total de les energies renovables. Necessitem bateries que emetin més energia que el nostre pes.
Com funcionen les bateries de ions de liti
El mecanisme de funcionament de les bateries de liti és similar al de les bateries químiques AA o AAA ordinàries. Tenen terminals d'ànode i càtode, i un electròlit entremig. A diferència de les bateries ordinàries, la reacció de descàrrega en una bateria de ions de liti és reversible, de manera que la bateria es pot recarregar repetidament.
El càtode (terminal +) està fet de fosfat de ferro i liti, l'ànode (terminal -) està fet de grafit i el grafit està fet de carboni. L'electricitat és simplement el flux d'electrons. Aquestes bateries generen electricitat movent ions de liti entre l'ànode i el càtode.
Quan es carreguen, els ions es mouen cap a l'ànode, i quan es descarreguen, corren cap al càtode.
Aquest moviment d'ions provoca el moviment d'electrons al circuit, de manera que el moviment d'ions de liti i el moviment d'electrons estan relacionats.
Bateria d'ànode de silici
Moltes grans companyies automobilístiques com BMW han estat invertint en el desenvolupament de bateries amb ànode de silici. Com les bateries de ions de liti ordinàries, aquestes bateries utilitzen ànodes de liti, però en lloc d'ànodes basats en carboni, utilitzen silici.
Com a ànode, el silici és millor que el grafit perquè requereix 4 àtoms de carboni per contenir liti, i 1 àtom de silici pot contenir 4 ions de liti. Això és una millora important... fent que el silici sigui 3 vegades més fort que el grafit.
No obstant això, l'ús del liti continua sent una arma de doble tall. Aquest material encara és car, però també és més fàcil transferir les instal·lacions de producció a cel·les de silici. Si les bateries són completament diferents, la fàbrica haurà de ser completament redissenyada, cosa que farà que l'atractiu del canvi es redueixi lleugerament.
Els ànodes de silici es fabriquen tractant sorra per produir silici pur, però el problema més gran al qual s'enfronten actualment els investigadors és que els ànodes de silici s'inflen quan s'utilitzen. Això pot fer que la bateria es degradi massa ràpidament. També és difícil produir ànodes en massa.
Bateria de grafè
El grafè és un tipus de flocs de carboni que utilitza el mateix material que un llapis, però costa molt de temps fixar el grafit als flocs. El grafè és elogiat pel seu excel·lent rendiment en molts casos d'ús, i les bateries en són un.
Algunes empreses estan treballant en bateries de grafè que es poden carregar completament en minuts i descarregar 33 vegades més ràpid que les bateries de ions de liti. Això és de gran valor per als vehicles elèctrics.
Bateria d'escuma
Actualment, les bateries tradicionals són bidimensionals. O bé estan apilades com una bateria de liti o bé enrotllades com una bateria AA o de ions de liti típica.
La bateria d'escuma és un nou concepte que implica el moviment de càrrega elèctrica en un espai tridimensional.
Aquesta estructura tridimensional pot accelerar el temps de càrrega i augmentar la densitat d'energia, qualitats extremadament importants de la bateria. En comparació amb la majoria d'altres bateries, les bateries d'escuma no tenen electròlits líquids nocius.
Les bateries d'escuma utilitzen electròlits sòlids en lloc d'electròlits líquids. Aquest electròlit no només condueix ions de liti, sinó que també aïlla altres dispositius electrònics.
L'ànode que manté la càrrega negativa de la bateria està fet de coure escumat i recobert amb el material actiu necessari.
A continuació, s'aplica un electròlit sòlid al voltant de l'ànode.
Finalment, s'utilitza una "pasta positiva" per omplir els buits de l'interior de la bateria.
Bateria d'òxid d'alumini
Aquestes bateries tenen una de les densitats d'energia més grans de qualsevol bateria. La seva energia és més potent i més lleugera que la de les bateries de ions de liti actuals. Algunes persones afirmen que aquestes bateries poden proporcionar 2.000 quilòmetres de vehicles elèctrics. Què és aquest concepte? Com a referència, l'autonomia màxima de creuer de Tesla és d'uns 600 quilòmetres.
El problema d'aquestes bateries és que no es poden carregar. Produeixen hidròxid d'alumini i alliberen energia mitjançant la reacció de l'alumini i l'oxigen en un electròlit a base d'aigua. L'ús de bateries consumeix alumini com a ànode.
Bateria de sodi
Actualment, científics japonesos estan treballant en la fabricació de bateries que utilitzin sodi en lloc de liti.
Això seria disruptiu, ja que les bateries de sodi són teòricament 7 vegades més eficients que les de liti. Un altre gran avantatge és que el sodi és el sisè element més ric en les reserves de la Terra, en comparació amb el liti, que és un element rar.
Data de publicació: 02-12-2019