ელემენტების ტექნოლოგიის მომავალი: სილიკონის ანოდები, გრაფენი, ალუმინ-ჟანგბადის ელემენტები და ა.შ.

რედაქტორის შენიშვნა: ელექტროტექნოლოგია მწვანე დედამიწის მომავალია, ხოლო ელემენტების ტექნოლოგია ელექტროტექნოლოგიის საფუძველი და ელექტროტექნოლოგიის მასშტაბური განვითარების შეზღუდვის გასაღები. ამჟამინდელი ძირითადი ელემენტების ტექნოლოგია ლითიუმ-იონური ელემენტებია, რომლებსაც აქვთ კარგი ენერგიის სიმკვრივე და მაღალი ეფექტურობა. თუმცა, ლითიუმი იშვიათი ელემენტია მაღალი ფასით და შეზღუდული რესურსებით. ამავდროულად, განახლებადი ენერგიის წყაროების გამოყენების ზრდასთან ერთად, ლითიუმ-იონური ელემენტების ენერგიის სიმკვრივე აღარ არის საკმარისი. როგორ ვუპასუხოთ? მაიანკ ჯაინმა შეაფასა ზოგიერთი ელემენტის ტექნოლოგია, რომელთა გამოყენებაც შეიძლება მომავალში. ორიგინალი სტატია გამოქვეყნდა medium-ზე სათაურით: ელემენტების ტექნოლოგიის მომავალი.

დედამიწა ენერგიით არის სავსე და ჩვენ ყველაფერს ვაკეთებთ ამ ენერგიის დასაგროვებლად და ეფექტურად გამოსაყენებლად. მიუხედავად იმისა, რომ განახლებად ენერგიაზე გადასვლისას უკეთესი სამუშაო შევასრულეთ, ენერგიის შენახვის კუთხით დიდ პროგრესს ვერ მივაღწიეთ.
ამჟამად, ლითიუმ-იონური აკუმულატორების ტექნოლოგიის უმაღლესი სტანდარტია. როგორც ჩანს, ამ აკუმულატორს აქვს საუკეთესო ენერგიის სიმკვრივე, მაღალი ეფექტურობა (დაახლოებით 99%) და ხანგრძლივი მუშაობის ვადა.
მაშ, რა ხდება? რადგან ჩვენს მიერ მოპოვებული განახლებადი ენერგია აგრძელებს ზრდას, ლითიუმ-იონური ბატარეების ენერგიის სიმკვრივე აღარ არის საკმარისი.
რადგან შეგვიძლია ელემენტების პარტიულად წარმოება გავაგრძელოთ, ეს დიდ პრობლემად არ გვეჩვენება, თუმცა პრობლემა ის არის, რომ ლითიუმი შედარებით იშვიათი ლითონია, ამიტომ მისი ღირებულება დაბალი არ არის. მიუხედავად იმისა, რომ ელემენტების წარმოების ხარჯები მცირდება, ენერგიის შენახვის საჭიროებაც სწრაფად იზრდება.
ჩვენ მივაღწიეთ იმ წერტილს, სადაც ლითიუმ-იონური ბატარეის წარმოების შემდეგ, ეს უზარმაზარ გავლენას მოახდენს ენერგეტიკის ინდუსტრიაზე.
წიაღისეული საწვავის უფრო მაღალი ენერგიის სიმკვრივე ფაქტია და ეს უზარმაზარი გავლენის ფაქტორია, რომელიც ხელს უშლის განახლებად ენერგიაზე სრულ დამოკიდებულებაზე გადასვლას. ჩვენ გვჭირდება ბატარეები, რომლებიც ჩვენს წონაზე მეტ ენერგიას გამოყოფენ.
როგორ მუშაობს ლითიუმ-იონური ბატარეები
ლითიუმის აკუმულატორების მუშაობის მექანიზმი ჩვეულებრივი AA ან AAA ქიმიური აკუმულატორების მსგავსია. მათ აქვთ ანოდური და კათოდური ტერმინალები და ელექტროლიტი მათ შორის. ჩვეულებრივი აკუმულატორებისგან განსხვავებით, ლითიუმ-იონურ აკუმულატორში განმუხტვის რეაქცია შექცევადია, ამიტომ აკუმულატორის განმეორებითი დატენვა შესაძლებელია.

კათოდი (+ ტერმინალი) დამზადებულია ლითიუმის რკინის ფოსფატისგან, ანოდი (- ტერმინალი) - გრაფიტისგან, ხოლო გრაფიტი - ნახშირბადისგან. ელექტროენერგია უბრალოდ ელექტრონების ნაკადია. ეს ბატარეები ელექტროენერგიას გამოიმუშავებენ ლითიუმის იონების ანოდსა და კათოდს შორის გადაადგილებით.
დამუხტვისას იონები ანოდისკენ გადადიან, ხოლო განმუხტვისას კათოდისკენ.
იონების ეს მოძრაობა იწვევს ელექტრონების მოძრაობას წრედში, ამიტომ ლითიუმის იონების მოძრაობა და ელექტრონების მოძრაობა ერთმანეთთან დაკავშირებულია.
სილიკონის ანოდის ბატარეა
ბევრი მსხვილი საავტომობილო კომპანია, როგორიცაა BMW, ინვესტირებას ახორციელებს სილიკონის ანოდური აკუმულატორების განვითარებაში. ჩვეულებრივი ლითიუმ-იონური აკუმულატორების მსგავსად, ეს აკუმულატორები იყენებენ ლითიუმის ანოდებს, მაგრამ ნახშირბადის ბაზაზე დამზადებული ანოდების ნაცვლად, ისინი იყენებენ სილიკონს.
ანოდის სახით, სილიციუმი გრაფიტზე უკეთესია, რადგან ლითიუმის შესანარჩუნებლად 4 ნახშირბადის ატომია საჭირო, ხოლო 1 სილიციუმის ატომს შეუძლია 4 ლითიუმის იონის შეკავება. ეს მნიშვნელოვანი განახლებაა... რაც სილიციუმს გრაფიტზე 3-ჯერ უფრო ძლიერს ხდის.

მიუხედავად ამისა, ლითიუმის გამოყენება კვლავ ორლესული მახვილია. ეს მასალა კვლავ ძვირია, მაგრამ ასევე უფრო ადვილია წარმოების ობიექტების სილიკონის ელემენტებზე გადატანა. თუ ელემენტები სრულიად განსხვავებულია, ქარხანა მთლიანად გადაკეთდება, რაც გადართვის მიმზიდველობას ოდნავ შეამცირებს.
სილიკონის ანოდები სუფთა სილიკონის მისაღებად ქვიშის დამუშავებით მზადდება, თუმცა ამჟამად მკვლევარების წინაშე არსებული ყველაზე დიდი პრობლემა ის არის, რომ სილიკონის ანოდები გამოყენებისას შეშუპებულია. ამან შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის ძალიან სწრაფი დაშლა. ასევე რთულია ანოდების მასობრივი წარმოება.

გრაფენის ბატარეა
გრაფენი ნახშირბადის ფანტელის სახეობაა, რომელიც ფანქრის მსგავსად დამზადებული მასალისგან მზადდება, თუმცა ფანტელებზე გრაფიტის მიმაგრებას დიდი დრო სჭირდება. გრაფენი მრავალ შემთხვევაში შესანიშნავი შესრულებისთვის არის ცნობილი და ერთ-ერთი მათგანი ელემენტებია.

ზოგიერთი კომპანია მუშაობს გრაფენის აკუმულატორებზე, რომელთა სრულად დატენვა წუთებშია შესაძლებელი და დაცლა ლითიუმ-იონურ აკუმულატორებთან შედარებით 33-ჯერ უფრო სწრაფად. ეს ძალიან მნიშვნელოვანია ელექტრომობილებისთვის.
ქაფის ბატარეა
ამჟამად, ტრადიციული ელემენტები ორგანზომილებიანია. ისინი ან ერთმანეთზეა დაწყობილი, როგორც ლითიუმის ელემენტი, ან დახვეულია, როგორც ტიპიური AA ან ლითიუმ-იონური ელემენტი.
ქაფის ბატარეა ახალი კონცეფციაა, რომელიც გულისხმობს ელექტრული მუხტის მოძრაობას 3D სივრცეში.
ამ სამგანზომილებიან სტრუქტურას შეუძლია დააჩქაროს დატენვის დრო და გაზარდოს ენერგიის სიმკვრივე, რაც ბატარეის უაღრესად მნიშვნელოვანი თვისებებია. სხვა ბატარეების უმეტესობასთან შედარებით, ქაფის ბატარეები არ შეიცავს მავნე თხევად ელექტროლიტებს.
ქაფის ელემენტები თხევადი ელექტროლიტების ნაცვლად მყარ ელექტროლიტებს იყენებენ. ეს ელექტროლიტი არა მხოლოდ ლითიუმის იონებს ატარებს, არამედ სხვა ელექტრონულ მოწყობილობებსაც იზოლირებს.

აკუმულატორის უარყოფითი მუხტის შემნახველი ანოდი დამზადებულია ქაფიანი სპილენძისგან და დაფარულია საჭირო აქტიური მასალით.
შემდეგ ანოდის გარშემო მყარი ელექტროლიტი გამოიყენება.
და ბოლოს, აკუმულატორის შიგნით არსებული ხარვეზების შესავსებად გამოიყენება ე.წ. „პოზიტიური პასტა“.
ალუმინის ოქსიდის ბატარეა

ამ აკუმულატორებს ერთ-ერთი ყველაზე დიდი ენერგიის სიმკვრივე აქვთ ნებისმიერ აკუმულატორს შორის. მათი ენერგია უფრო მძლავრი და მსუბუქია, ვიდრე ამჟამინდელი ლითიუმ-იონური აკუმულატორები. ზოგიერთი ადამიანი ამტკიცებს, რომ ამ აკუმულატორებს ელექტრომობილების 2000 კილომეტრის გავლა შეუძლიათ. რა კონცეფციაა ეს? შედარებისთვის, Tesla-ს მაქსიმალური საკრუიზო დიაპაზონი დაახლოებით 600 კილომეტრია.
ამ აკუმულატორების პრობლემა ის არის, რომ მათი დატენვა შეუძლებელია. ისინი წარმოქმნიან ალუმინის ჰიდროქსიდს და გამოყოფენ ენერგიას წყალზე დამზადებულ ელექტროლიტში ალუმინისა და ჟანგბადის რეაქციის გზით. აკუმულატორების გამოყენება ალუმინს ანოდის სახით მოიხმარს.
ნატრიუმის ბატარეა
ამჟამად, იაპონელი მეცნიერები მუშაობენ ისეთი ბატარეების შექმნაზე, რომლებიც ლითიუმის ნაცვლად ნატრიუმს გამოიყენებენ.
ეს რევოლუციური იქნებოდა, რადგან ნატრიუმის აკუმულატორები თეორიულად 7-ჯერ უფრო ეფექტურია, ვიდრე ლითიუმის აკუმულატორები. კიდევ ერთი დიდი უპირატესობა ის არის, რომ ნატრიუმი დედამიწის მარაგებში მეექვსე უმდიდრესი ელემენტია ლითიუმთან შედარებით, რომელიც იშვიათი ელემენტია.