Athugasemd ritstjóra: Rafmagnstækni er framtíð grænu jarðarinnar og rafhlöðutækni er undirstaða rafmagnstækni og lykillinn að því að takmarka stórfellda þróun rafmagnstækni. Núverandi almenna rafhlöðutækni eru litíum-jón rafhlöður, sem hafa góða orkuþéttleika og mikla skilvirkni. Hins vegar er litíum sjaldgæft frumefni með hátt verð og takmarkaðar auðlindir. Á sama tíma, þegar notkun endurnýjanlegra orkugjafa eykst, er orkuþéttleiki litíum-jón rafhlöðu ekki lengur nægjanlegur. Hvernig á að bregðast við? Mayank Jain hefur gert úttekt á rafhlöðutækni sem gæti verið notuð í framtíðinni. Upprunalega greinin var birt á medium undir titlinum: Framtíð rafhlöðutækni.
Jörðin er full af orku og við gerum allt sem við getum til að fanga og nýta þá orku vel. Þó að okkur hafi tekist betur að skipta yfir í endurnýjanlega orku, höfum við ekki náð miklum árangri í orkugeymslu.
Sem stendur eru hæstu kröfur rafhlöðutækni litíum-jón rafhlöður. Þessar rafhlöður virðast hafa bestu orkuþéttleikann, mikla skilvirkni (um 99%) og langan líftíma.
Hvað er þá að? Þar sem endurnýjanleg orka sem við öflum heldur áfram að aukast, er orkuþéttleiki litíum-jón rafhlöðu ekki lengur nægjanlegur.
Þar sem við getum haldið áfram að framleiða rafhlöður í lotum virðist þetta ekki vera mikið mál, en vandamálið er að litíum er tiltölulega sjaldgæft málmur, þannig að kostnaðurinn við það er ekki lágur. Þó að framleiðslukostnaður rafhlöðu sé að lækka, þá er þörfin fyrir orkugeymslu einnig að aukast hratt.
Við erum komin á þann stað að þegar litíum-jón rafhlöður verða framleiddar mun hún hafa gríðarleg áhrif á orkugeirann.
Meiri orkuþéttleiki jarðefnaeldsneytis er staðreynd og þetta er gríðarlegur áhrifaþáttur sem hindrar umskipti yfir í algjöra háð endurnýjanlegri orku. Við þurfum rafhlöður sem gefa frá sér meiri orku en við þyngjumst.
Hvernig litíumjónarafhlöður virka
Virkni litíum-rafhlöðu er svipuð og hjá venjulegum AA eða AAA efnarafhlöðum. Þær eru með anóðu- og katóðutengi og rafvökva á milli. Ólíkt venjulegum rafhlöðum er útskriftarviðbrögðin í litíum-jón rafhlöðu afturkræf, þannig að hægt er að hlaða rafhlöðuna aftur og aftur.
Katóðan (+ tengi) er úr litíumjárnfosfati, anóðan (- tengi) er úr grafíti og grafít er úr kolefni. Rafmagn er einfaldlega flæði rafeinda. Þessar rafhlöður framleiða rafmagn með því að færa litíumjónir á milli anóðu og katóðu.
Þegar jónirnar eru hlaðnar fara þær að anóðunni og þegar þær eru tæmdar fara þær að katóðunni.
Þessi hreyfing jóna veldur hreyfingu rafeinda í rásinni, þannig að hreyfing litíumjóna og rafeinda eru tengd.
Kísil anóðu rafhlöðu
Mörg stór bílafyrirtæki eins og BMW hafa verið að fjárfesta í þróun á sílikon-anóðurafhlöðum. Eins og venjulegar litíum-jón rafhlöður nota þessar rafhlöður litíum-anóður, en í stað kolefnisbundinna anóða nota þær sílikon.
Sem anóða er kísill betri en grafít því það þarf 4 kolefnisatóm til að halda litíum, og 1 kísillatóm getur haldið 4 litíumjónum. Þetta er mikil uppfærsla ... sem gerir kísill þrisvar sinnum sterkari en grafít.
Engu að síður er notkun litíums enn tvíeggjað sverð. Þetta efni er enn dýrt, en það er líka auðveldara að færa framleiðsluaðstöðu yfir í kísilrafhlöður. Ef rafhlöðurnar eru gjörólíkar þarf að endurhanna verksmiðjuna algjörlega, sem mun draga örlítið úr aðdráttarafli þess að skipta um rafhlöðu.
Kísilanóður eru framleiddar með því að meðhöndla sand til að framleiða hreint kísil, en stærsta vandamálið sem vísindamenn standa frammi fyrir núna er að kísilanóður bólgna upp við notkun. Þetta getur valdið því að rafhlaðan brotnar niður of hratt. Það er líka erfitt að framleiða anóður í stórum stíl.
Grafín rafhlöðu
Grafín er tegund af kolefnisflögum sem eru úr sama efni og blýantur, en það tekur mikinn tíma að festa grafít við flögurnar. Grafín er lofað fyrir framúrskarandi frammistöðu í mörgum notkunartilfellum og rafhlöður eru ein af þeim.
Sum fyrirtæki eru að vinna að grafínrafhlöðum sem hægt er að hlaða að fullu á nokkrum mínútum og tæma 33 sinnum hraðar en litíumjónarafhlöður. Þetta er mjög gagnlegt fyrir rafknúin ökutæki.
Froðu rafhlöðu
Hefðbundnar rafhlöður eru nú tvívíðar. Þær eru annað hvort staflaðar eins og litíumrafhlöður eða rúllaðar saman eins og dæmigerð AA- eða litíumjónarafhlöða.
Froðurafhlöðan er nýtt hugtak sem felur í sér hreyfingu rafhleðslu í þrívíddarrými.
Þessi þrívíddarbygging getur hraðað hleðslutíma og aukið orkuþéttleika rafhlöðunnar, sem eru afar mikilvægir eiginleikar rafhlöðunnar. Í samanburði við flestar aðrar rafhlöður innihalda froðurafhlöður engin skaðleg fljótandi rafvökvaefni.
Froðurafhlöður nota fast rafvökva í stað fljótandi rafvökva. Þessi rafvökvi leiðir ekki aðeins litíumjónir heldur einangrar einnig önnur rafeindatæki.
Anóðan sem heldur neikvæðri hleðslu rafhlöðunnar er úr froðuðu kopar og húðuð með nauðsynlegu virka efni.
Fast raflausn er síðan sett í kringum anóðuna.
Að lokum er svokölluð „jákvætt líma“ notuð til að fylla í eyðurnar inni í rafhlöðunni.
Áloxíð rafhlöðu
Þessar rafhlöður hafa eina mestu orkuþéttleika allra rafhlöðu. Orkan þeirra er öflugri og léttari en núverandi litíum-jón rafhlöður. Sumir halda því fram að þessar rafhlöður geti dugað rafknúnum ökutækjum í 2.000 kílómetra. Hvað er þetta hugtak? Til viðmiðunar er hámarksdrægni Tesla um 600 kílómetrar.
Vandamálið með þessar rafhlöður er að þær er ekki hægt að hlaða. Þær framleiða álhýdroxíð og losa orku með efnahvörfum áls og súrefnis í vatnsbundinni rafvökva. Notkun rafhlöðu notar ál sem anóðu.
Natríum rafhlöðu
Nú vinna japanskir vísindamenn að því að framleiða rafhlöður sem nota natríum í stað litíums.
Þetta væri truflandi, þar sem natríumrafhlöður eru fræðilega séð 7 sinnum skilvirkari en litíumrafhlöður. Annar gríðarlegur kostur er að natríum er sjötta ríkasta frumefnið í birgðum jarðar, samanborið við litíum, sem er sjaldgæft frumefni.
Birtingartími: 2. des. 2019