Մարտկոցների տեխնոլոգիայի ապագան՝ սիլիցիումային անոդներ, գրաֆեն, ալյումին-թթվածնային մարտկոցներ և այլն։

Խմբագրի նշում. Էլեկտրական տեխնոլոգիաները կանաչ երկրի ապագան են, իսկ մարտկոցային տեխնոլոգիան՝ էլեկտրական տեխնոլոգիայի հիմքը և էլեկտրական տեխնոլոգիաների լայնածավալ զարգացման սահմանափակման բանալին: Ներկայիս հիմնական մարտկոցային տեխնոլոգիան լիթիում-իոնային մարտկոցներն են, որոնք ունեն լավ էներգիայի խտություն և բարձր արդյունավետություն: Այնուամենայնիվ, լիթիումը հազվագյուտ տարր է՝ բարձր գնով և սահմանափակ ռեսուրսներով: Միևնույն ժամանակ, վերականգնվող էներգիայի աղբյուրների օգտագործման աճի հետ մեկտեղ, լիթիում-իոնային մարտկոցների էներգիայի խտությունը այլևս բավարար չէ: Ինչպե՞ս արձագանքել: Մայանկ Ջեյնը գնահատել է որոշ մարտկոցային տեխնոլոգիաներ, որոնք կարող են օգտագործվել ապագայում: Բնօրինակ հոդվածը հրապարակվել է medium-ում՝ «Մարտկոցային տեխնոլոգիայի ապագան» վերնագրով:

Երկիրը լի է էներգիայով, և մենք անում ենք ամեն ինչ, որպեսզի կլանենք և արդյունավետորեն օգտագործենք այդ էներգիան։ Չնայած մենք ավելի լավ աշխատանք ենք կատարել վերականգնվող էներգիային անցնելու հարցում, մենք մեծ առաջընթաց չենք գրանցել էներգիա կուտակելու հարցում։
Ներկայումս մարտկոցների տեխնոլոգիայի ամենաբարձր չափանիշը լիթիում-իոնային մարտկոցներն են։ Այս մարտկոցը, կարծես, ունի լավագույն էներգիայի խտությունը, բարձր արդյունավետությունը (մոտ 99%) և երկար ծառայության ժամկետը։
Ուրեմն ի՞նչ է պատահել։ Քանի որ մեր կողմից որսվող վերականգնվող էներգիան շարունակում է աճել, լիթիում-իոնային մարտկոցների էներգիայի խտությունը այլևս բավարար չէ։
Քանի որ մենք կարող ենք շարունակել մարտկոցներ արտադրել խմբաքանակներով, սա մեծ խնդիր չի թվում, բայց խնդիրն այն է, որ լիթիումը համեմատաբար հազվագյուտ մետաղ է, ուստի դրա արժեքը ցածր չէ: Չնայած մարտկոցների արտադրության ծախսերը նվազում են, էներգիայի կուտակման անհրաժեշտությունը նույնպես արագորեն աճում է:
Մենք հասել ենք մի կետի, երբ լիթիում-իոնային մարտկոցի արտադրությունը մեծ ազդեցություն կունենա էներգետիկ արդյունաբերության վրա։
Բրածո վառելիքի ավելի բարձր էներգիայի խտությունը փաստ է, և սա հսկայական ազդող գործոն է, որը խոչընդոտում է վերականգնվող էներգիայից լիակատար կախվածության անցմանը: Մեզ անհրաժեշտ են մարտկոցներ, որոնք մեր քաշից ավելի շատ էներգիա են արտանետում:
Ինչպես են աշխատում լիթիում-իոնային մարտկոցները
Լիթիումային մարտկոցների աշխատանքային մեխանիզմը նման է սովորական AA կամ AAA քիմիական մարտկոցներին։ Դրանք ունեն անոդային և կաթոդային ծայրակալներ, ինչպես նաև էլեկտրոլիտ՝ դրանց միջև։ Սովորական մարտկոցներից տարբերվող լիթիում-իոնային մարտկոցում լիցքաթափման ռեակցիան շրջելի է, ուստի մարտկոցը կարող է բազմիցս լիցքավորվել։

Կաթոդը (+ ծայրը) պատրաստված է լիթիումի երկաթի ֆոսֆատից, անոդը (- ծայրը)՝ գրաֆիտից, իսկ գրաֆիտը՝ ածխածնից: Էլեկտրաէներգիան պարզապես էլեկտրոնների հոսք է: Այս մարտկոցները էլեկտրաէներգիա են արտադրում՝ լիթիումի իոնները անոդի և կաթոդի միջև տեղափոխելով:
Լիցքավորվելիս իոնները շարժվում են դեպի անոդ, իսկ լիցքաթափվելիս՝ դեպի կաթոդ։
Իոնների այս շարժումը առաջացնում է էլեկտրոնների շարժում շղթայում, ուստի լիթիումի իոնների շարժումը և էլեկտրոնների շարժումը կապված են։
Սիլիկոնային անոդային մարտկոց
Շատ խոշոր ավտոարտադրող ընկերություններ, ինչպիսին է BMW-ն, ներդրումներ են կատարել սիլիցիումային անոդային մարտկոցների մշակման մեջ: Սովորական լիթիում-իոնային մարտկոցների նման, այս մարտկոցները նույնպես օգտագործում են լիթիումային անոդներ, բայց ածխածնային անոդների փոխարեն օգտագործում են սիլիցիում:
Որպես անոդ, սիլիցիումը ավելի լավն է, քան գրաֆիտը, քանի որ այն պահանջում է 4 ածխածնի ատոմ՝ լիթիում պահելու համար, իսկ 1 սիլիցիումի ատոմը կարող է պահել 4 լիթիումի իոն։ Սա լուրջ արդիականացում է… սիլիցիումը դարձնելով գրաֆիտից 3 անգամ ավելի ամուր։

Այնուամենայնիվ, լիթիումի օգտագործումը դեռևս երկկողմանի սուր է։ Այս նյութը դեռևս թանկ է, բայց նաև ավելի հեշտ է արտադրական հզորությունները տեղափոխել սիլիցիումային մարտկոցների վրա։ Եթե մարտկոցները բոլորովին այլ լինեն, գործարանը ստիպված կլինի ամբողջությամբ վերաձևավորվել, ինչը կհանգեցնի անցման գրավչության փոքր-ինչ նվազմանը։
Սիլիկոնային անոդները պատրաստվում են ավազի մշակմամբ՝ մաքուր սիլիցիում ստանալու համար, սակայն հետազոտողների առջև ծառացած ամենամեծ խնդիրն այն է, որ սիլիկոնային անոդները օգտագործման ժամանակ այտուցվում են։ Սա կարող է հանգեցնել մարտկոցի չափազանց արագ քայքայման։ Անոդների զանգվածային արտադրությունը նույնպես դժվար է։

Գրաֆենային մարտկոց
Գրաֆենը ածխածնային փաթիլների տեսակ է, որը պատրաստված է նույն նյութից, ինչ մատիտը, սակայն փաթիլներին գրաֆիտ ամրացնելու համար շատ ժամանակ է պահանջվում: Գրաֆենը գովաբանվում է իր գերազանց կատարողականության համար բազմաթիվ դեպքերում, և մարտկոցները դրանցից մեկն են:

Որոշ ընկերություններ աշխատում են գրաֆենային մարտկոցների վրա, որոնք կարող են լիովին լիցքավորվել րոպեների ընթացքում և լիցքաթափվել 33 անգամ ավելի արագ, քան լիթիում-իոնային մարտկոցները։ Սա մեծ արժեք ունի էլեկտրական տրանսպորտային միջոցների համար։
Փրփուրի մարտկոց
Ներկայումս ավանդական մարտկոցները երկչափ են։ Դրանք կամ դարսվում են լիթիումային մարտկոցի նման, կամ փաթաթվում են՝ ինչպես սովորական AA կամ լիթիում-իոնային մարտկոցները։
Փրփուրե մարտկոցը նոր հայեցակարգ է, որը ենթադրում է էլեկտրական լիցքի շարժումը եռաչափ տարածությունում։
Այս եռաչափ կառուցվածքը կարող է արագացնել լիցքավորման ժամանակը և մեծացնել էներգիայի խտությունը, սրանք մարտկոցի չափազանց կարևոր հատկանիշներ են: Համեմատած մյուս մարտկոցների մեծ մասի հետ, փրփուրե մարտկոցները չունեն վնասակար հեղուկ էլեկտրոլիտներ:
Փրփուրային մարտկոցները հեղուկ էլեկտրոլիտների փոխարեն օգտագործում են պինդ էլեկտրոլիտներ: Այս էլեկտրոլիտը ոչ միայն հաղորդում է լիթիումի իոններ, այլև մեկուսացնում է այլ էլեկտրոնային սարքեր:

Մարտկոցի բացասական լիցքը պահող անոդը պատրաստված է փրփրապղնձից և պատված է անհրաժեշտ ակտիվ նյութով։
Այնուհետև անոդի շուրջը կիրառվում է պինդ էլեկտրոլիտ։
Վերջապես, այսպես կոչված «դրական մածուկը» օգտագործվում է մարտկոցի ներսում եղած ճեղքերը լրացնելու համար։
Ալյումինի օքսիդի մարտկոց

Այս մարտկոցներն ունեն ցանկացած մարտկոցի ամենամեծ էներգիայի խտություններից մեկը։ Դրանց էներգիան ավելի հզոր է և թեթև, քան ներկայիս լիթիում-իոնային մարտկոցները։ Ոմանք պնդում են, որ այս մարտկոցները կարող են ապահովել էլեկտրական մեքենաների 2000 կիլոմետր երթևեկություն։ Ի՞նչ է այս հայեցակարգը։ Հղման համար՝ Tesla-ի առավելագույն թռիչքի հեռավորությունը մոտ 600 կիլոմետր է։
Այս մարտկոցների խնդիրն այն է, որ դրանք չեն կարող լիցքավորվել: Դրանք արտադրում են ալյումինի հիդրօքսիդ և էներգիա են անջատում ջրային հիմքով էլեկտրոլիտում ալյումինի և թթվածնի փոխազդեցության միջոցով: Մարտկոցների օգտագործումը ալյումինը սպառում է որպես անոդ:
Նատրիումի մարտկոց
Ներկայումս ճապոնացի գիտնականները աշխատում են նատրիումի փոխարեն նատրիում օգտագործող մարտկոցներ պատրաստելու վրա։
Սա կլիներ խաթարող, քանի որ նատրիումային մարտկոցները տեսականորեն 7 անգամ ավելի արդյունավետ են, քան լիթիումային մարտկոցները: Մեկ այլ հսկայական առավելությունն այն է, որ նատրիումը Երկրի պաշարների վեցերորդ ամենահարուստ տարրն է՝ համեմատած լիթիումի հետ, որը հազվագյուտ տարր է: