Σημείωση συντάκτη: Η ηλεκτρική τεχνολογία είναι το μέλλον της πράσινης γης και η τεχνολογία μπαταριών είναι το θεμέλιο της ηλεκτρικής τεχνολογίας και το κλειδί για τον περιορισμό της μεγάλης κλίμακας ανάπτυξης της ηλεκτρικής τεχνολογίας. Η τρέχουσα κυρίαρχη τεχνολογία μπαταριών είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες έχουν καλή ενεργειακή πυκνότητα και υψηλή απόδοση. Ωστόσο, το λίθιο είναι ένα σπάνιο στοιχείο με υψηλό κόστος και περιορισμένους πόρους. Ταυτόχρονα, καθώς η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αυξάνεται, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου δεν είναι πλέον επαρκής. Πώς να αντιδράσουμε; Ο Mayank Jain έχει κάνει απολογισμό ορισμένων τεχνολογιών μπαταριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον. Το αρχικό άρθρο δημοσιεύτηκε στο medium με τίτλο: Το μέλλον της τεχνολογίας μπαταριών
Η γη είναι γεμάτη ενέργεια και κάνουμε ό,τι μπορούμε για να αξιοποιήσουμε και να αξιοποιήσουμε σωστά αυτήν την ενέργεια. Παρόλο που έχουμε κάνει καλύτερη δουλειά στη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δεν έχουμε σημειώσει μεγάλη πρόοδο στην αποθήκευση ενέργειας.
Προς το παρόν, το υψηλότερο πρότυπο τεχνολογίας μπαταριών είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτή η μπαταρία φαίνεται να έχει την καλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, υψηλή απόδοση (περίπου 99%) και μεγάλη διάρκεια ζωής.
Τι συμβαίνει λοιπόν; Καθώς η ανανεώσιμη ενέργεια που αξιοποιούμε συνεχίζει να αυξάνεται, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου δεν επαρκεί πλέον.
Δεδομένου ότι μπορούμε να συνεχίσουμε να παράγουμε μπαταρίες σε παρτίδες, αυτό δεν φαίνεται να είναι μεγάλο πρόβλημα, αλλά το πρόβλημα είναι ότι το λίθιο είναι ένα σχετικά σπάνιο μέταλλο, επομένως το κόστος του δεν είναι χαμηλό. Αν και το κόστος παραγωγής μπαταριών μειώνεται, η ανάγκη για αποθήκευση ενέργειας αυξάνεται επίσης ραγδαία.
Έχουμε φτάσει σε ένα σημείο όπου μόλις κατασκευαστεί η μπαταρία ιόντων λιθίου, θα έχει τεράστιο αντίκτυπο στην ενεργειακή βιομηχανία.
Η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα των ορυκτών καυσίμων είναι γεγονός και αυτός είναι ένας τεράστιος παράγοντας που εμποδίζει τη μετάβαση σε μια πλήρη εξάρτηση από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Χρειαζόμαστε μπαταρίες που εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια από το βάρος μας.
Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου
Ο μηχανισμός λειτουργίας των μπαταριών λιθίου είναι παρόμοιος με τις συνηθισμένες χημικές μπαταρίες AA ή AAA. Έχουν ακροδέκτες ανόδου και καθόδου, και έναν ηλεκτρολύτη ενδιάμεσα. Σε αντίθεση με τις συνηθισμένες μπαταρίες, η αντίδραση εκφόρτισης σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι αναστρέψιμη, επομένως η μπαταρία μπορεί να επαναφορτίζεται επανειλημμένα.
Η κάθοδος (+ ακροδέκτης) είναι κατασκευασμένη από φωσφορικό σίδηρο λιθίου, η άνοδος (- ακροδέκτης) είναι κατασκευασμένη από γραφίτη και ο γραφίτης είναι κατασκευασμένος από άνθρακα. Η ηλεκτρική ενέργεια είναι απλώς η ροή ηλεκτρονίων. Αυτές οι μπαταρίες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μετακινώντας ιόντα λιθίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.
Όταν φορτίζονται, τα ιόντα κινούνται προς την άνοδο και όταν εκφορτίζονται, κατευθύνονται προς την κάθοδο.
Αυτή η κίνηση ιόντων προκαλεί την κίνηση ηλεκτρονίων στο κύκλωμα, επομένως η κίνηση ιόντων λιθίου και η κίνηση ηλεκτρονίων σχετίζονται.
Μπαταρία ανόδου πυριτίου
Πολλές μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η BMW έχουν επενδύσει στην ανάπτυξη μπαταριών ανόδου πυριτίου. Όπως και οι συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου, αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούν ανόδους λιθίου, αλλά αντί για ανόδους με βάση τον άνθρακα, χρησιμοποιούν πυρίτιο.
Ως άνοδος, το πυρίτιο είναι καλύτερο από τον γραφίτη επειδή απαιτεί 4 άτομα άνθρακα για να συγκρατήσει το λίθιο και 1 άτομο πυριτίου μπορεί να συγκρατήσει 4 ιόντα λιθίου. Αυτή είναι μια σημαντική αναβάθμιση... καθιστώντας το πυρίτιο 3 φορές ισχυρότερο από τον γραφίτη.
Παρ 'όλα αυτά, η χρήση λιθίου εξακολουθεί να είναι δίκοπο μαχαίρι. Αυτό το υλικό εξακολουθεί να είναι ακριβό, αλλά είναι επίσης ευκολότερο να μεταφερθούν οι εγκαταστάσεις παραγωγής σε στοιχεία πυριτίου. Εάν οι μπαταρίες είναι εντελώς διαφορετικές, το εργοστάσιο θα πρέπει να επανασχεδιαστεί πλήρως, γεγονός που θα μειώσει ελαφρώς την ελκυστικότητα της αλλαγής.
Οι άνοδοι πυριτίου κατασκευάζονται με επεξεργασία άμμου για την παραγωγή καθαρού πυριτίου, αλλά το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές αυτή τη στιγμή είναι ότι οι άνοδοι πυριτίου διογκώνονται όταν χρησιμοποιούνται. Αυτό μπορεί να προκαλέσει την πολύ γρήγορη φθορά της μπαταρίας. Είναι επίσης δύσκολο να παραχθούν μαζικά άνοδοι.
Μπαταρία γραφενίου
Το γραφένιο είναι ένας τύπος νιφάδων άνθρακα που χρησιμοποιεί το ίδιο υλικό με ένα μολύβι, αλλά η προσκόλληση γραφίτη στις νιφάδες απαιτεί πολύ χρόνο. Το γραφένιο επαινείται για την εξαιρετική του απόδοση σε πολλές περιπτώσεις χρήσης και οι μπαταρίες είναι μία από αυτές.
Ορισμένες εταιρείες εργάζονται πάνω σε μπαταρίες γραφενίου που μπορούν να φορτιστούν πλήρως σε λίγα λεπτά και να αποφορτιστούν 33 φορές πιο γρήγορα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτό έχει μεγάλη αξία για τα ηλεκτρικά οχήματα.
Μπαταρία αφρού
Προς το παρόν, οι παραδοσιακές μπαταρίες είναι δισδιάστατες. Είτε στοιβάζονται όπως μια μπαταρία λιθίου είτε τυλίγονται όπως μια τυπική μπαταρία AA ή ιόντων λιθίου.
Η μπαταρία αφρού είναι μια νέα έννοια που περιλαμβάνει την κίνηση ηλεκτρικού φορτίου σε τρισδιάστατο χώρο.
Αυτή η τρισδιάστατη δομή μπορεί να επιταχύνει τον χρόνο φόρτισης και να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα, ιδιότητες που είναι εξαιρετικά σημαντικές για την μπαταρία. Σε σύγκριση με τις περισσότερες άλλες μπαταρίες, οι μπαταρίες αφρού δεν περιέχουν επιβλαβείς υγρούς ηλεκτρολύτες.
Οι μπαταρίες αφρού χρησιμοποιούν στερεούς ηλεκτρολύτες αντί για υγρούς ηλεκτρολύτες. Αυτός ο ηλεκτρολύτης όχι μόνο άγει ιόντα λιθίου, αλλά και μονώνει άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.
Η άνοδος που συγκρατεί το αρνητικό φορτίο της μπαταρίας είναι κατασκευασμένη από αφρώδες χαλκό και επικαλυμμένη με το απαιτούμενο ενεργό υλικό.
Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ένας στερεός ηλεκτρολύτης γύρω από την άνοδο.
Τέλος, χρησιμοποιείται μια λεγόμενη «θετική πάστα» για να γεμίσει τα κενά στο εσωτερικό της μπαταρίας.
Μπαταρία οξειδίου του αργιλίου
Αυτές οι μπαταρίες έχουν μία από τις μεγαλύτερες ενεργειακές πυκνότητες από οποιαδήποτε άλλη μπαταρία. Η ενέργειά τους είναι πιο ισχυρή και ελαφρύτερη από τις τρέχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Κάποιοι ισχυρίζονται ότι αυτές οι μπαταρίες μπορούν να παρέχουν 2.000 χιλιόμετρα ηλεκτρικών οχημάτων. Τι είναι αυτή η ιδέα; Για αναφορά, η μέγιστη αυτονομία πλεύσης της Tesla είναι περίπου 600 χιλιόμετρα.
Το πρόβλημα με αυτές τις μπαταρίες είναι ότι δεν μπορούν να φορτιστούν. Παράγουν υδροξείδιο του αργιλίου και απελευθερώνουν ενέργεια μέσω της αντίδρασης αλουμινίου και οξυγόνου σε έναν ηλεκτρολύτη με βάση το νερό. Η χρήση μπαταριών καταναλώνει αλουμίνιο ως άνοδο.
Μπαταρία νατρίου
Αυτή τη στιγμή, Ιάπωνες επιστήμονες εργάζονται πάνω στην κατασκευή μπαταριών που χρησιμοποιούν νάτριο αντί για λίθιο.
Αυτό θα ήταν ανατρεπτικό, καθώς οι μπαταρίες νατρίου είναι θεωρητικά 7 φορές πιο αποδοτικές από τις μπαταρίες λιθίου. Ένα άλλο τεράστιο πλεονέκτημα είναι ότι το νάτριο είναι το έκτο πλουσιότερο στοιχείο στα αποθέματα της γης, σε σύγκριση με το λίθιο, το οποίο είναι ένα σπάνιο στοιχείο.
Ώρα δημοσίευσης: 02-12-2019