Toimittajan huomautus: Sähköteknologia on vihreän maan tulevaisuus, ja akkuteknologia on sähköteknologian perusta ja avain sähköteknologian laajamittaisen kehityksen rajoittamiseen. Nykyinen valtavirran akkuteknologia on litiumioniakkuja, joilla on hyvä energiatiheys ja korkea hyötysuhde. Litium on kuitenkin harvinainen alkuaine, jolla on korkeat kustannukset ja rajalliset resurssit. Samaan aikaan uusiutuvien energialähteiden käytön kasvaessa litiumioniakkujen energiatiheys ei enää riitä. Miten tähän vastata? Mayank Jain on tehnyt yhteenvedon joistakin akkuteknologioista, joita voidaan käyttää tulevaisuudessa. Alkuperäinen artikkeli julkaistiin mediassa otsikolla: Akkuteknologian tulevaisuus.
Maapallo on täynnä energiaa, ja teemme kaikkemme ottaaksemme talteen ja hyödyntääksemme tätä energiaa. Vaikka olemmekin onnistuneet paremmin siirtymisessä uusiutuvaan energiaan, emme ole edistyneet paljon energian varastoinnissa.
Tällä hetkellä akkuteknologian korkeinta tasoa edustavat litiumioniakut. Näillä akuilla näyttää olevan paras energiatiheys, korkea hyötysuhde (noin 99 %) ja pitkä käyttöikä.
Mikä sitten on vialla? Koska talteen otetun uusiutuvan energian määrä kasvaa jatkuvasti, litiumioniakkujen energiatiheys ei ole enää riittävä.
Koska voimme jatkaa akkujen tuotantoa erissä, tämä ei näytä olevan iso juttu, mutta ongelmana on, että litium on suhteellisen harvinainen metalli, joten sen hinta ei ole alhainen. Vaikka akkujen tuotantokustannukset laskevat, myös energian varastoinnin tarve kasvaa nopeasti.
Olemme saavuttaneet pisteen, jossa kun litiumioniakku on valmistettu, sillä on valtava vaikutus energiateollisuuteen.
Fossiilisten polttoaineiden suurempi energiatiheys on tosiasia, ja tämä on valtava vaikuttava tekijä, joka estää siirtymistä täydelliseen riippuvuuteen uusiutuvasta energiasta. Tarvitsemme akkuja, jotka tuottavat enemmän energiaa kuin painomme.
Miten litiumioniakut toimivat
Litium-ioniakkujen toimintamekanismi on samanlainen kuin tavallisten AA- tai AAA-kemiallisten akkujen. Niissä on anodi- ja katodiliittimet ja niiden välissä elektrolyytti. Toisin kuin tavallisissa akuissa, litiumioniakun purkausreaktio on palautuva, joten akkua voidaan ladata toistuvasti.
Katodi (+ napa) on valmistettu litiumrautafosfaatista, anodi (- napa) on valmistettu grafiitista ja grafiitti on tehty hiilestä. Sähkö on yksinkertaisesti elektronien virtausta. Nämä akut tuottavat sähköä siirtämällä litiumioneja anodin ja katodin välillä.
Latautuessaan ionit siirtyvät anodille ja purkautuessaan ionit juoksevat katodille.
Tämä ionien liike aiheuttaa elektronien liikkumista piirissä, joten litiumionien liike ja elektronien liike liittyvät toisiinsa.
Pii-anodiakku
Monet suuret autovalmistajat, kuten BMW, ovat investoineet piianodiakkujen kehittämiseen. Kuten tavallisissa litiumioniakuissa, näissä akuissa käytetään litiumanodeja, mutta hiilipohjaisten anodien sijaan niissä käytetään piitä.
Anodina pii on grafiittia parempi, koska se vaatii neljä hiiliatomia litiumin pidättämiseen, ja yksi piiatomi voi pidättää neljä litiumionia. Tämä on merkittävä parannus… mikä tekee piistä kolme kertaa vahvempaa kuin grafiitti.
Litiumin käyttö on kuitenkin edelleen kaksiteräinen miekka. Tämä materiaali on edelleen kallista, mutta tuotantolaitosten siirtäminen piikennoihin on myös helpompaa. Jos akut ovat täysin erilaisia, tehdas on suunniteltava kokonaan uudelleen, mikä vähentää hieman vaihdon houkuttelevuutta.
Piianodit valmistetaan käsittelemällä hiekkaa puhtaan piin tuottamiseksi, mutta tutkijoiden suurin ongelma tällä hetkellä on, että piianodit turpoavat käytössä. Tämä voi aiheuttaa akun liian nopeaa hajoamista. Anodien massatuotanto on myös vaikeaa.
Grafeeniakku
Grafeeni on eräänlainen hiilihiutale, joka on valmistettu samasta materiaalista kuin kynä, mutta grafiitin kiinnittäminen hiutaleisiin vie paljon aikaa. Grafeenia kiitetään sen erinomaisesta suorituskyvystä monissa käyttötarkoituksissa, ja akut ovat yksi niistä.
Jotkut yritykset työskentelevät grafeeniakkujen parissa, jotka voidaan ladata täyteen minuuteissa ja purkaa 33 kertaa nopeammin kuin litiumioniakut. Tämä on erittäin arvokasta sähköajoneuvoille.
Vaahtomuoviparisto
Nykyään perinteiset akut ovat kaksiulotteisia. Ne on joko pinottu kuten litiumparistot tai rullattu kuten tyypillinen AA- tai litiumioniakku.
Vaahtomuoviparisto on uusi konsepti, johon liittyy sähkövarauksen liikkuminen 3D-avaruudessa.
Tämä kolmiulotteinen rakenne voi nopeuttaa latausaikaa ja lisätä energiatiheyttä, jotka ovat akun erittäin tärkeitä ominaisuuksia. Useimpiin muihin akkuihin verrattuna vaahtomuoviakuissa ei ole haitallisia nestemäisiä elektrolyyttejä.
Vaahtomuoviakuissa käytetään kiinteitä elektrolyyttejä nestemäisten elektrolyyttien sijaan. Tämä elektrolyytti ei ainoastaan johda litiumioneja, vaan myös eristää muita elektronisia laitteita.
Akun negatiivista varausta pidättävä anodi on valmistettu vaahdotetusta kuparista ja päällystetty tarvittavalla aktiivisella materiaalilla.
Anodin ympärille levitetään sitten kiinteä elektrolyytti.
Lopuksi akun sisällä olevat aukot täytetään niin sanotulla ”positiivisella tahnalla”.
Alumiinioksidiakku
Näillä akuilla on yksi suurimmista energiatiheyksistä kaikista akuista. Niiden energia on tehokkaampaa ja kevyempää kuin nykyisillä litiumioniakuilla. Jotkut väittävät, että nämä akut voivat tarjota sähköajoneuvoille 2 000 kilometriä. Mikä tämä konsepti on? Vertailun vuoksi Teslan pisin toimintasäde on noin 600 kilometriä.
Näiden akkujen ongelmana on, että niitä ei voida ladata. Ne tuottavat alumiinihydroksidia ja vapauttavat energiaa alumiinin ja hapen reaktion kautta vesipohjaisessa elektrolyytissä. Akkujen käyttö kuluttaa alumiinia anodina.
Natriumparisto
Japanilaiset tutkijat työskentelevät parhaillaan sellaisten akkujen parissa, jotka käyttävät litiumin sijaan natriumia.
Tämä olisi mullistavaa, sillä natriumakut ovat teoriassa seitsemän kertaa tehokkaampia kuin litiumakut. Toinen valtava etu on, että natrium on maapallon kuudenneksi rikkain alkuaine verrattuna litiumiin, joka on harvinainen alkuaine.
Julkaisun aika: 02.12.2019