Nota do editor: A tecnoloxía eléctrica é o futuro da terra verde, e a tecnoloxía das baterías é a base da tecnoloxía eléctrica e a clave para restrinxir o desenvolvemento a grande escala da tecnoloxía eléctrica. A tecnoloxía de baterías dominante na actualidade son as baterías de ións de litio, que teñen unha boa densidade de enerxía e alta eficiencia. Non obstante, o litio é un elemento raro con alto custo e recursos limitados. Ao mesmo tempo, a medida que medra o uso de fontes de enerxía renovables, a densidade de enerxía das baterías de ións de litio xa non é suficiente. Como responder? Mayank Jain fixo balance dalgunhas tecnoloxías de baterías que se poderían usar no futuro. O artigo orixinal publicouse en Medium co título: O futuro da tecnoloxía das baterías
A Terra está chea de enerxía e nós estamos a facer todo o posible para captala e aproveitala. Aínda que fixemos un mellor traballo na transición ás enerxías renovables, non progresamos moito no almacenamento da enerxía.
Na actualidade, o estándar máis alto da tecnoloxía de baterías son as baterías de ións de litio. Esta batería parece ter a mellor densidade de enerxía, alta eficiencia (arredor do 99 %) e longa duración.
Entón, que pasa? A medida que a enerxía renovable que capturamos segue crecendo, a densidade enerxética das baterías de ións de litio xa non é suficiente.
Dado que podemos seguir producindo baterías por lotes, isto non parece ser un gran problema, pero o problema é que o litio é un metal relativamente raro, polo que o seu custo non é baixo. Aínda que os custos de produción de baterías están a baixar, a necesidade de almacenamento de enerxía tamén está a aumentar rapidamente.
Chegamos a un punto no que, unha vez fabricada a batería de ións de litio, terá un enorme impacto na industria enerxética.
A maior densidade enerxética dos combustibles fósiles é un feito, e este é un factor de influencia enorme que dificulta a transición cara a unha dependencia total das enerxías renovables. Necesitamos baterías que emitan máis enerxía que o noso peso.
Como funcionan as baterías de ións de litio
O mecanismo de funcionamento das baterías de litio é similar ao das baterías químicas AA ou AAA ordinarias. Teñen terminais de ánodo e cátodo e un electrolito no medio. A diferenza das baterías ordinarias, a reacción de descarga nunha batería de ións de litio é reversible, polo que a batería pódese recargar repetidamente.
O cátodo (terminal +) está feito de fosfato de ferro e litio, o ánodo (terminal -) está feito de grafito e o grafito está feito de carbono. A electricidade é simplemente o fluxo de electróns. Estas baterías xeran electricidade movendo ións de litio entre o ánodo e o cátodo.
Cando se cargan, os ións móvense cara ao ánodo e, cando se descargan, corren cara ao cátodo.
Este movemento de ións provoca o movemento de electróns no circuíto, polo que o movemento de ións de litio e o movemento de electróns están relacionados.
Batería de ánodo de silicio
Moitas grandes empresas automobilísticas como BMW investiron no desenvolvemento de baterías con ánodo de silicio. Do mesmo xeito que as baterías de ións de litio ordinarias, estas baterías usan ánodos de litio, pero en lugar de ánodos baseados en carbono, usan silicio.
Como ánodo, o silicio é mellor que o grafito porque require 4 átomos de carbono para conter litio, e 1 átomo de silicio pode conter 4 ións de litio. Esta é unha mellora importante... facendo que o silicio sexa 3 veces máis forte que o grafito.
Non obstante, o uso do litio segue sendo unha arma de dobre fío. Este material segue sendo caro, pero tamén é máis doado transferir as instalacións de produción a celas de silicio. Se as baterías son completamente diferentes, a fábrica terá que ser completamente redeseñada, o que fará que o atractivo do cambio se reduza lixeiramente.
Os ánodos de silicio fabrícanse tratando area para producir silicio puro, pero o maior problema ao que se enfrontan os investigadores na actualidade é que os ánodos de silicio se inflan cando se usan. Isto pode provocar que a batería se degrade demasiado rápido. Tamén é difícil producir ánodos en masa.
Batería de grafeno
O grafeno é un tipo de escama de carbono que emprega o mesmo material que un lapis, pero custa moito tempo unir o grafito ás escamas. O grafeno é eloxiado polo seu excelente rendemento en moitos casos de uso, e as baterías son un deles.
Algunhas empresas están a traballar en baterías de grafeno que se poden cargar completamente en minutos e descargar 33 veces máis rápido que as baterías de ións de litio. Isto é de gran valor para os vehículos eléctricos.
Batería de escuma
Na actualidade, as baterías tradicionais son bidimensionais. Ou ben están apiladas como unha batería de litio ou enroladas como unha batería AA ou de ións de litio típica.
A batería de escuma é un novo concepto que implica o movemento de carga eléctrica no espazo tridimensional.
Esta estrutura tridimensional pode acelerar o tempo de carga e aumentar a densidade de enerxía, calidades extremadamente importantes da batería. En comparación coa maioría das outras baterías, as baterías de escuma non teñen electrólitos líquidos nocivos.
As baterías de escuma usan electrolitos sólidos en lugar de electrolitos líquidos. Este electrolito non só conduce ións de litio, senón que tamén illa outros dispositivos electrónicos.
O ánodo que mantén a carga negativa da batería está feito de cobre espumado e revestido co material activo requirido.
Despois aplícase un electrolito sólido arredor do ánodo.
Finalmente, utilízase unha chamada "pasta positiva" para encher os ocos do interior da batería.
Batería de óxido de aluminio
Estas baterías teñen unha das maiores densidades de enerxía de calquera batería. A súa enerxía é máis potente e lixeira que a das baterías de ións de litio actuais. Algunhas persoas afirman que estas baterías poden proporcionar 2.000 quilómetros de vehículos eléctricos. En que consiste este concepto? Como referencia, a autonomía máxima de cruceiro de Tesla é duns 600 quilómetros.
O problema destas baterías é que non se poden cargar. Producen hidróxido de aluminio e liberan enerxía mediante a reacción do aluminio e o osíxeno nun electrolito a base de auga. O uso de baterías consome aluminio como ánodo.
batería de sodio
Actualmente, científicos xaponeses están a traballar na fabricación de baterías que usen sodio en lugar de litio.
Isto sería disruptivo, xa que as baterías de sodio son teoricamente 7 veces máis eficientes que as de litio. Outra gran vantaxe é que o sodio é o sexto elemento máis rico nas reservas da Terra, en comparación co litio, que é un elemento raro.
Data de publicación: 02-12-2019