Poznámka editora: Elektrická technologie je budoucností zelené Země a technologie baterií je základem elektrotechniky a klíčem k omezení jejího rozsáhlého rozvoje. Současnou mainstreamovou technologií baterií jsou lithium-iontové baterie, které mají dobrou energetickou hustotu a vysokou účinnost. Lithium je však vzácný prvek s vysokými náklady a omezenými zdroji. Zároveň s rostoucím využíváním obnovitelných zdrojů energie již energetická hustota lithium-iontových baterií není dostatečná. Jak reagovat? Mayank Jain zhodnotil některé technologie baterií, které by mohly být v budoucnu použity. Původní článek byl publikován na platformě Medium s názvem: Budoucnost technologie baterií.
Země je plná energie a my děláme vše, co je v našich silách, abychom tuto energii zachytili a dobře využili. Přestože jsme odvedli lepší práci v přechodu na obnovitelné zdroje energie, v oblasti ukládání energie jsme velkého pokroku nedosáhli.
V současné době je nejvyšším standardem technologie baterií lithium-iontové baterie. Zdá se, že tato baterie má nejlepší energetickou hustotu, vysokou účinnost (přibližně 99 %) a dlouhou životnost.
Tak co je špatně? Vzhledem k tomu, že množství obnovitelné energie, kterou získáváme, neustále roste, energetická hustota lithium-iontových baterií již není dostatečná.
Vzhledem k tomu, že můžeme baterie i nadále vyrábět v dávkách, nezdá se to být velký problém, ale problém je, že lithium je relativně vzácný kov, takže jeho cena není nízká. Přestože náklady na výrobu baterií klesají, potřeba skladování energie také rapidně roste.
Dosáhli jsme bodu, kdy jakmile bude lithium-iontová baterie vyrobena, bude mít obrovský dopad na energetický průmysl.
Vyšší energetická hustota fosilních paliv je faktem a je to obrovský ovlivňující faktor, který brání přechodu k úplné závislosti na obnovitelných zdrojích energie. Potřebujeme baterie, které vydávají více energie, než je naše hmotnost.
Jak fungují lithium-iontové baterie
Mechanismus fungování lithiových baterií je podobný běžným chemickým bateriím typu AA nebo AAA. Mají anodový a katodový pól a elektrolyt mezi nimi. Na rozdíl od běžných baterií je vybíjecí reakce v lithium-iontové baterii reverzibilní, takže baterii lze opakovaně dobíjet.
Katoda (+ pól) je vyrobena z fosforečnanu lithno-železitého, anoda (-pól) je vyrobena z grafitu a grafit je vyroben z uhlíku. Elektřina je pouze tok elektronů. Tyto baterie generují elektřinu pohybem lithiových iontů mezi anodou a katodou.
Při nabíjení se ionty pohybují k anodě a při vybíjení se ionty pohybují ke katodě.
Tento pohyb iontů způsobuje pohyb elektronů v obvodu, takže pohyb lithiových iontů a pohyb elektronů spolu souvisí.
Křemíková anodová baterie
Mnoho velkých automobilek, jako například BMW, investuje do vývoje křemíkových anodových baterií. Stejně jako běžné lithium-iontové baterie používají tyto baterie lithiové anody, ale místo uhlíkových anod používají křemík.
Jako anoda je křemík lepší než grafit, protože k udržení lithia potřebuje 4 atomy uhlíku a 1 atom křemíku může udržet 4 ionty lithia. To je zásadní vylepšení… díky kterému je křemík třikrát silnější než grafit.
Nicméně použití lithia je stále dvousečná zbraň. Tento materiál je stále drahý, ale je také snazší přenést výrobní zařízení na křemíkové články. Pokud budou baterie zcela odlišné, bude nutné továrnu kompletně přepracovat, což způsobí, že se atraktivita přechodu mírně sníží.
Křemíkové anody se vyrábějí úpravou písku za účelem získání čistého křemíku, ale největším problémem, kterému v současnosti vědci čelí, je, že křemíkové anody při používání bobtnají. To může způsobit příliš rychlou degradaci baterie. Je také obtížné anody hromadně vyrábět.
Grafenová baterie
Grafen je typ uhlíkových vloček, které se vyrábějí ze stejného materiálu jako tužka, ale jejich nanesení na vločky grafitu vyžaduje spoustu času. Grafen je chválen pro svůj vynikající výkon v mnoha případech použití a baterie jsou jedním z nich.
Některé společnosti pracují na grafenových bateriích, které lze plně nabít během několika minut a vybíjet 33krát rychleji než lithium-iontové baterie. To má pro elektromobily velkou hodnotu.
Pěnová baterie
V současnosti jsou tradiční baterie dvourozměrné. Jsou buď naskládané jako lithiová baterie, nebo srolované jako typická AA nebo lithium-iontová baterie.
Pěnová baterie je nový koncept, který zahrnuje pohyb elektrického náboje v trojrozměrném prostoru.
Tato trojrozměrná struktura může urychlit dobu nabíjení a zvýšit hustotu energie, což jsou extrémně důležité vlastnosti baterie. Ve srovnání s většinou ostatních baterií neobsahují pěnové baterie žádné škodlivé kapalné elektrolyty.
Pěnové baterie používají pevné elektrolyty místo kapalných. Tento elektrolyt nejen vede lithiové ionty, ale také izoluje další elektronická zařízení.
Anoda, která drží záporný náboj baterie, je vyrobena z pěnové mědi a potažena požadovaným aktivním materiálem.
Kolem anody se poté nanese pevný elektrolyt.
Nakonec se k vyplnění mezer uvnitř baterie použije tzv. „pozitivní pasta“.
Baterie z oxidu hlinitého
Tyto baterie mají jednu z největších energetických hustot ze všech baterií. Jejich energie je silnější a lehčí než u současných lithium-iontových baterií. Někteří lidé tvrdí, že tyto baterie dokáží ujet 2 000 kilometrů elektromobilů. Co je to za koncept? Pro srovnání, maximální dojezd Tesly je asi 600 kilometrů.
Problém s těmito bateriemi je, že se nedají nabíjet. Produkují hydroxid hlinitý a uvolňují energii reakcí hliníku a kyslíku ve vodním elektrolytu. Používání baterií spotřebovává hliník jako anodu.
Sodíková baterie
Japonští vědci v současné době pracují na výrobě baterií, které by místo lithia používaly sodík.
To by bylo převratné, protože sodíkové baterie jsou teoreticky 7krát účinnější než lithiové baterie. Další obrovskou výhodou je, že sodík je šestým nejbohatším prvkem v zemských zásobách, ve srovnání s lithiem, které je vzácným prvkem.
Čas zveřejnění: 2. prosince 2019