Toimetaja märkus: Elektritehnoloogia on rohelise maa tulevik ja akutehnoloogia on elektritehnoloogia alus ning võti elektritehnoloogia laiaulatusliku arengu piiramiseks. Praegune peavoolu akutehnoloogia on liitiumioonakud, millel on hea energiatihedus ja kõrge efektiivsus. Liitium on aga haruldane element, millel on kõrge hind ja piiratud ressursid. Samal ajal, kuna taastuvate energiaallikate kasutamine kasvab, ei ole liitiumioonakude energiatihedus enam piisav. Kuidas reageerida? Mayank Jain on teinud ülevaate mõnest akutehnoloogiast, mida võidakse tulevikus kasutada. Algne artikkel avaldati meediumis pealkirjaga: Akutehnoloogia tulevik.
Maa on energiat täis ja me teeme kõik endast oleneva, et seda energiat püüda ja hästi ära kasutada. Kuigi oleme taastuvenergiale üleminekul paremini hakkama saanud, pole me energia salvestamisel palju edusamme teinud.
Praegu on akutehnoloogia kõrgeim standard liitiumioonakud. Neil näib olevat parim energiatihedus, kõrge efektiivsus (umbes 99%) ja pikk eluiga.
Mis siis valesti on? Kuna meie poolt püütav taastuvenergia jätkuvalt kasvab, ei ole liitiumioonakude energiatihedus enam piisav.
Kuna me saame akusid partiidena toota, ei tundu see suur asi olevat, kuid probleem on selles, et liitium on suhteliselt haruldane metall, seega pole selle hind madal. Kuigi akude tootmiskulud langevad, kasvab ka energia salvestamise vajadus kiiresti.
Oleme jõudnud punkti, kus kui liitiumioonakud on toodetud, on neil tohutu mõju energiatööstusele.
Fossiilkütuste suurem energiatihedus on fakt ja see on tohutu mõjutaja, mis takistab üleminekut täielikule sõltuvusele taastuvenergiast. Me vajame akusid, mis eraldavad rohkem energiat kui meie kaal.
Kuidas liitiumioonakud töötavad
Liitiumakude töömehhanism sarnaneb tavaliste AA- või AAA-tüüpi keemiliste akudega. Neil on anood- ja katoodklemmid ning nende vahel elektrolüüt. Erinevalt tavalistest akudest on liitiumioonaku tühjenemisreaktsioon pöörduv, seega saab akut korduvalt laadida.
Katood (+ klemm) on valmistatud liitiumraudfosfaadist, anood (-klemm) on grafiidist ja grafiit on süsinikust. Elekter on lihtsalt elektronide voog. Need akud genereerivad elektrit liitiumioonide liigutamise teel anoodi ja katoodi vahel.
Laetuna liiguvad ioonid anoodile ja tühjenemisel katoodile.
See ioonide liikumine põhjustab elektronide liikumist vooluringis, seega on liitiumioonide liikumine ja elektronide liikumine seotud.
Ränianoodi aku
Paljud suured autotootjad, näiteks BMW, on investeerinud ränianood-akude arendamisse. Nagu tavalised liitiumioonakud, kasutavad need akud liitiumanoode, kuid süsinikupõhiste anoodide asemel räni.
Anoodina on räni parem kui grafiit, sest liitiumi hoidmiseks on vaja nelja süsinikuaatomit ja üks räni aatom mahutab neli liitiumiooni. See on oluline uuendus ... muutes räni kolm korda tugevamaks kui grafiit.
Sellegipoolest on liitiumi kasutamine kahe teraga mõõk. See materjal on endiselt kallis, kuid tootmisseadmeid on ka lihtsam ränielementidele üle viia. Kui akud on täiesti erinevad, tuleb tehas täielikult ümber kujundada, mis vähendab ülemineku atraktiivsust veidi.
Ränianoodid valmistatakse liiva töötlemisel puhta räni saamiseks, kuid suurim probleem, millega teadlased praegu silmitsi seisavad, on see, et ränianoodid paisuvad kasutamisel. See võib põhjustada aku liiga kiiret lagunemist. Samuti on anoodide masstootmine keeruline.
Grafeeni aku
Grafeen on teatud tüüpi süsinikhelves, mis on valmistatud samast materjalist kui pliiats, kuid grafiidi helvestele kinnitamine võtab palju aega. Grafeeni kiidetakse suurepärase toimivuse eest paljudes kasutusjuhtudes ja akud on üks neist.
Mõned ettevõtted töötavad grafeenakude kallal, mida saab minutitega täielikult laadida ja mis tühjenevad 33 korda kiiremini kui liitiumioonakud. See on elektriautode jaoks väga väärtuslik.
Vahtpatarei
Praegu on traditsioonilised patareid kahemõõtmelised. Need on kas virnastatud nagu liitiumakud või kokku rullitud nagu tüüpilised AA- või liitiumioonakud.
Vahtpatarei on uus kontseptsioon, mis hõlmab elektrilaengu liikumist 3D-ruumis.
See kolmemõõtmeline struktuur kiirendab laadimisaega ja suurendab energiatihedust – need on aku äärmiselt olulised omadused. Võrreldes enamiku teiste akudega ei sisalda vahtplastist aku kahjulikke vedelaid elektrolüüte.
Vahtpatareides kasutatakse vedelate elektrolüütide asemel tahkeid elektrolüüte. See elektrolüüt mitte ainult ei juhi liitiumioone, vaid isoleerib ka teisi elektroonikaseadmeid.
Aku negatiivset laengut hoidev anood on valmistatud vahustatud vasest ja kaetud vajaliku aktiivmaterjaliga.
Seejärel kantakse anoodi ümber tahke elektrolüüt.
Lõpuks kasutatakse aku sees olevate tühimike täitmiseks nn positiivset pastat.
Alumiiniumoksiidi aku
Nendel akudel on üks suurimaid energiatihedusi kõigist akudest. Nende energia on võimsam ja kergem kui praegustel liitiumioonakudel. Mõned inimesed väidavad, et need akud suudavad pakkuda elektriautodele 2000 kilomeetri läbisõitu. Mis kontseptsioon see on? Võrdluseks, Tesla maksimaalne sõiduulatus on umbes 600 kilomeetrit.
Nende akude probleem on see, et neid ei saa laadida. Nad toodavad alumiiniumhüdroksiidi ja vabastavad energiat alumiiniumi ja hapniku reaktsioonil veepõhises elektrolüüdis. Akude kasutamine tarbib alumiiniumi anoodina.
Naatriumaku
Praegu töötavad Jaapani teadlased akude loomise kallal, mis kasutavad liitiumi asemel naatriumi.
See oleks murranguline, kuna naatriumakud on teoreetiliselt seitse korda tõhusamad kui liitiumakud. Teine tohutu eelis on see, et naatrium on Maa varudes kuues rikkaim element, võrreldes liitiumiga, mis on haruldane element.
Postituse aeg: 02. detsember 2019