Szerkesztői megjegyzés: Az elektromos technológia a zöld föld jövője, az akkumulátortechnológia pedig az elektromos technológia alapja, és kulcsa az elektromos technológia nagymértékű fejlődésének korlátozásához. A jelenlegi mainstream akkumulátortechnológia a lítium-ion akkumulátorok, amelyek jó energiasűrűséggel és nagy hatásfokkal rendelkeznek. A lítium azonban ritka elem, magas költséggel és korlátozott erőforrásokkal. Ugyanakkor, ahogy a megújuló energiaforrások használata növekszik, a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége már nem elegendő. Hogyan reagáljunk erre? Mayank Jain felmérte azokat az akkumulátortechnológiákat, amelyeket a jövőben alkalmazhatnak. Az eredeti cikk a következő címmel jelent meg: Az akkumulátortechnológia jövője.
A Föld tele van energiával, és mi mindent megteszünk, hogy ezt az energiát begyűjtsük és jól hasznosítsuk. Bár jobban teljesítettünk a megújuló energiára való áttérésben, az energiatárolás terén nem értünk el nagy előrelépést.
Jelenleg a lítium-ion akkumulátorok a legmodernebb akkumulátor-technológiát képviselik. Úgy tűnik, hogy ez az akkumulátor rendelkezik a legjobb energiasűrűséggel, magas hatásfokkal (körülbelül 99%) és hosszú élettartammal.
Szóval mi a baj? Ahogy a megújuló energiaforrásokból származó, általunk kitermelt energia mennyisége folyamatosan növekszik, a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége már nem elegendő.
Mivel továbbra is tudunk tételekben akkumulátorokat gyártani, ez nem tűnik nagy ügynek, de a probléma az, hogy a lítium viszonylag ritka fém, így az ára nem alacsony. Bár az akkumulátorok gyártási költségei csökkennek, az energiatárolás iránti igény is gyorsan növekszik.
Elértünk egy olyan pontot, ahol a lítium-ion akkumulátor gyártásának megkezdése hatalmas hatással lesz az energiaiparra.
A fosszilis tüzelőanyagok nagyobb energiasűrűsége tény, és ez egy hatalmas befolyásoló tényező, amely akadályozza a megújuló energiától való teljes függőségre való áttérést. Olyan akkumulátorokra van szükségünk, amelyek több energiát bocsátanak ki, mint a súlyunk.
Hogyan működnek a lítium-ion akkumulátorok
A lítium akkumulátorok működési mechanizmusa hasonló a hagyományos AA vagy AAA kémiai elemekéhez. Anód- és katódkivezetésekkel, valamint a kettő között elektrolittal rendelkeznek. A hagyományos akkumulátorokkal ellentétben a lítium-ion akkumulátorban a kisülési reakció megfordítható, így az akkumulátor ismételten újratölthető.
A katód (+ kivezetés) lítium-vas-foszfátból, az anód (- kivezetés) grafitból, a grafit pedig szénből készül. Az elektromosság nem más, mint az elektronok áramlása. Ezek az akkumulátorok lítiumionok anód és katód közötti mozgatásával termelik az elektromosságot.
Töltéskor az ionok az anódra, kisüléskor pedig a katódra vándorolnak.
Az ionok mozgása okozza az elektronok mozgását az áramkörben, így a lítiumion-mozgás és az elektronmozgás összefügg.
Szilícium anód akkumulátor
Sok nagy autógyártó, mint például a BMW, befektet szilícium anódos akkumulátorok fejlesztésébe. A hagyományos lítium-ion akkumulátorokhoz hasonlóan ezek az akkumulátorok lítium anódokat használnak, de szén alapú anódok helyett szilíciumot.
Anódként a szilícium jobb, mint a grafit, mivel 4 szénatomra van szükség a lítium megtartásához, és 1 szilíciumatom 4 lítiumiont képes megtartani. Ez egy jelentős fejlesztés… így a szilícium háromszor erősebb lesz, mint a grafit.
A lítium használata azonban továbbra is kétélű fegyver. Ez az anyag továbbra is drága, de a gyártási létesítményeket könnyebb szilíciumcellákra átállítani. Ha az akkumulátorok teljesen eltérőek lesznek, a gyárat teljesen át kell tervezni, ami miatt a váltás vonzereje kissé csökken.
A szilícium-anódokat homok kezelésével állítják elő tiszta szilícium előállításához, de a kutatók jelenleg azzal szembesülnek, hogy a szilícium-anódok használat közben megduzzadnak. Ez az akkumulátor túl gyors lebomlását okozhatja. Az anódok tömeggyártása is nehézkes.
Grafén akkumulátor
A grafén egyfajta szénpehely, amely ugyanabból az anyagból készül, mint egy ceruza, de sok időbe telik a grafitot a pehelyhez rögzíteni. A grafént számos felhasználási esetben kiváló teljesítményéért dicsérik, és az akkumulátorok is ezek közé tartoznak.
Néhány cég grafén akkumulátorokon dolgozik, amelyek percek alatt teljesen feltölthetők és 33-szor gyorsabban merülnek le, mint a lítium-ion akkumulátorok. Ez nagy értéket képvisel az elektromos járművek számára.
Hab akkumulátor
Jelenleg a hagyományos elemek kétdimenziósak. Vagy egymásra vannak rakva, mint egy lítium elem, vagy feltekerve, mint egy tipikus AA vagy lítium-ion akkumulátor.
A habakkumulátor egy új koncepció, amely az elektromos töltés 3D-s térben történő mozgását foglalja magában.
Ez a háromdimenziós szerkezet felgyorsíthatja a töltési időt és növelheti az energiasűrűséget, ezek az akkumulátor rendkívül fontos tulajdonságai. A legtöbb más akkumulátorral összehasonlítva a habakkumulátorok nem tartalmaznak káros folyékony elektrolitokat.
A habosított akkumulátorok szilárd elektrolitokat használnak folyékony elektrolitok helyett. Ez az elektrolit nemcsak vezeti a lítiumionokat, hanem szigeteli is a többi elektronikus eszközt.
Az akkumulátor negatív töltését tartó anód habosított rézből készül, és a szükséges aktív anyaggal van bevonva.
Ezután szilárd elektrolitot visznek fel az anód köré.
Végül egy úgynevezett „pozitív pasztát” használnak az akkumulátor belsejében lévő réseket kitöltésére.
Alumínium-oxid akkumulátor
Ezek az akkumulátorok rendelkeznek az egyik legnagyobb energiasűrűséggel az összes akkumulátor közül. Energiatartalmuk erősebb és könnyebb, mint a jelenlegi lítium-ion akkumulátoroké. Egyesek azt állítják, hogy ezek az akkumulátorok 2000 kilométernyi elektromos járművet tudnak ellátni. Mi is ez a koncepció? Összehasonlításképpen, a Tesla maximális hatótávolsága körülbelül 600 kilométer.
Ezeknek az akkumulátoroknak az a problémája, hogy nem lehet őket feltölteni. Alumínium-hidroxidot termelnek és energiát szabadítanak fel az alumínium és az oxigén reakciója révén egy vízbázisú elektrolitban. Az akkumulátorok használata alumíniumot fogyaszt anódként.
Nátrium akkumulátor
Jelenleg japán tudósok olyan akkumulátorok gyártásán dolgoznak, amelyek lítium helyett nátriumot használnak.
Ez diszruptív lenne, mivel a nátrium akkumulátorok elméletileg hétszer hatékonyabbak, mint a lítium akkumulátorok. További hatalmas előny, hogy a nátrium a Föld készleteinek hatodik leggazdagabb eleme a lítiummal szemben, amely egy ritka elem.
Közzététel ideje: 2019. dec. 2.