Redaktørens bemærkning: Elektrisk teknologi er fremtiden for den grønne jord, og batteriteknologi er fundamentet for elektrisk teknologi og nøglen til at begrænse den store udvikling af elektrisk teknologi. Den nuværende mainstream-batteriteknologi er lithium-ion-batterier, som har en god energitæthed og høj effektivitet. Lithium er dog et sjældent grundstof med høje omkostninger og begrænsede ressourcer. Samtidig, i takt med at brugen af vedvarende energikilder vokser, er energitætheden af lithium-ion-batterier ikke længere tilstrækkelig. Hvordan skal man reagere? Mayank Jain har gjort status over nogle batteriteknologier, der kan blive brugt i fremtiden. Den originale artikel blev udgivet på Medium med titlen: Fremtiden for batteriteknologi
Jorden er fuld af energi, og vi gør alt, hvad vi kan, for at indfange og udnytte den energi godt. Selvom vi har gjort et bedre stykke arbejde med overgangen til vedvarende energi, har vi ikke gjort store fremskridt med at lagre energi.
I øjeblikket er den højeste standard inden for batteriteknologi lithium-ion-batterier. Dette batteri ser ud til at have den bedste energitæthed, høj effektivitet (ca. 99%) og lang levetid.
Så hvad er der galt? Efterhånden som den vedvarende energi, vi opfanger, fortsætter med at vokse, er energitætheden af lithium-ion-batterier ikke længere tilstrækkelig.
Da vi kan fortsætte med at producere batterier i batcher, ser det ikke ud til at være en stor ting, men problemet er, at lithium er et relativt sjældent metal, så dets pris er ikke lav. Selvom batteriproduktionsomkostningerne falder, stiger behovet for energilagring også hurtigt.
Vi er nået til et punkt, hvor når litium-ion-batteriet først er fremstillet, vil det have en enorm indflydelse på energiindustrien.
Den højere energitæthed af fossile brændstoffer er en kendsgerning, og dette er en enorm indflydelsesfaktor, der hæmmer overgangen til en total afhængighed af vedvarende energi. Vi har brug for batterier, der udleder mere energi end vores vægt.
Sådan fungerer litium-ion-batterier
Litiumbatteriers virkemåde ligner almindelige AA- eller AAA-kemiske batterier. De har anode- og katodeterminaler og en elektrolyt imellem. I modsætning til almindelige batterier er udladningsreaktionen i et litiumionbatteri reversibel, så batteriet kan genoplades gentagne gange.
Katoden (+ terminal) er lavet af lithiumjernfosfat, anoden (- terminal) er lavet af grafit, og grafit er lavet af kulstof. Elektricitet er blot strømmen af elektroner. Disse batterier genererer elektricitet ved at flytte lithiumioner mellem anoden og katoden.
Når ionerne oplades, bevæger de sig til anoden, og når de aflades, løber de til katoden.
Denne bevægelse af ioner forårsager bevægelse af elektroner i kredsløbet, så lithiumionbevægelse og elektronbevægelse er relaterede.
Siliciumanodebatteri
Mange store bilproducenter som BMW har investeret i udviklingen af siliciumanodebatterier. Ligesom almindelige lithium-ion-batterier bruger disse batterier lithiumanoder, men i stedet for kulbaserede anoder bruger de silicium.
Som anode er silicium bedre end grafit, fordi det kræver 4 kulstofatomer for at indeholde lithium, og 1 siliciumatom kan indeholde 4 lithiumioner. Dette er en større opgradering ... der gør silicium 3 gange stærkere end grafit.
Ikke desto mindre er brugen af lithium stadig et tveægget sværd. Dette materiale er stadig dyrt, men det er også nemmere at overføre produktionsfaciliteter til siliciumceller. Hvis batterierne er helt anderledes, skal fabrikken redesignes fuldstændigt, hvilket vil reducere attraktiviteten ved at skifte en smule.
Siliciumanoder fremstilles ved at behandle sand for at producere ren silicium, men det største problem, forskere står over for i øjeblikket, er, at siliciumanoder hæver, når de bruges. Dette kan forårsage, at batteriet nedbrydes for hurtigt. Det er også vanskeligt at masseproducere anoder.
Grafenbatteri
Grafen er en type kulflager, der bruger det samme materiale som en blyant, men det tager meget tid at fastgøre grafit til flagerne. Grafen roses for sin fremragende ydeevne i mange anvendelsesscenarier, og batterier er et af dem.
Nogle virksomheder arbejder på grafenbatterier, der kan oplades fuldt på få minutter og aflades 33 gange hurtigere end lithium-ion-batterier. Dette er af stor værdi for elbiler.
Skumbatteri
I dag er traditionelle batterier todimensionelle. De er enten stablet som et litiumbatteri eller rullet sammen som et typisk AA- eller litium-ion-batteri.
Skumbatteriet er et nyt koncept, der involverer bevægelsen af elektrisk ladning i 3D-rum.
Denne tredimensionelle struktur kan fremskynde opladningstiden og øge energitætheden, hvilket er ekstremt vigtige egenskaber ved batteriet. Sammenlignet med de fleste andre batterier har skumbatterier ingen skadelige flydende elektrolytter.
Skumbatterier bruger faste elektrolytter i stedet for flydende elektrolytter. Denne elektrolyt leder ikke kun lithiumioner, men isolerer også andre elektroniske enheder.
Anoden, der holder batteriets negative ladning, er lavet af skummet kobber og belagt med det nødvendige aktive materiale.
En fast elektrolyt påføres derefter omkring anoden.
Endelig bruges en såkaldt "positiv pasta" til at udfylde hullerne inde i batteriet.
Aluminiumoxidbatteri
Disse batterier har en af de største energitætheder af alle batterier. Deres energi er mere kraftfuld og lettere end nuværende lithium-ion-batterier. Nogle hævder, at disse batterier kan levere 2.000 kilometer i elbiler. Hvad er dette koncept? Til reference er Teslas maksimale rækkevidde omkring 600 kilometer.
Problemet med disse batterier er, at de ikke kan oplades. De producerer aluminiumhydroxid og frigiver energi gennem reaktionen mellem aluminium og ilt i en vandbaseret elektrolyt. Brugen af batterier forbruger aluminium som anode.
Natriumbatteri
I øjeblikket arbejder japanske forskere på at lave batterier, der bruger natrium i stedet for lithium.
Dette ville være forstyrrende, da natriumbatterier teoretisk set er 7 gange mere effektive end litiumbatterier. En anden kæmpe fordel er, at natrium er det sjette rigeste grundstof i jordens reserver sammenlignet med litium, som er et sjældent grundstof.
Opslagstidspunkt: 2. december 2019