Редактордың ескертпесі: Электр технологиясы – жасыл жердің болашағы, ал батарея технологиясы – электр технологиясының негізі және электр технологиясының кең ауқымды дамуын шектеудің кілті. Қазіргі негізгі батарея технологиясы – жақсы энергия тығыздығы мен жоғары тиімділігі бар литий-ионды батареялар. Дегенмен, литий – жоғары құны мен шектеулі ресурстары бар сирек кездесетін элемент. Сонымен қатар, жаңартылатын энергия көздерін пайдалану өскен сайын, литий-ионды батареялардың энергия тығыздығы енді жеткіліксіз. Қалай жауап беру керек? Маянк Джайн болашақта қолданылуы мүмкін кейбір батарея технологияларын бағалады. Түпнұсқа мақала медиумда «Батарея технологиясының болашағы» деген тақырыппен жарияланды.
Жер энергияға толы, және біз сол энергияны жинау және тиімді пайдалану үшін қолдан келгеннің бәрін жасап жатырмыз. Жаңартылатын энергия көздеріне көшуде жақсы жұмыс атқарғанымызбен, энергияны сақтауда айтарлықтай ілгерілеушілікке қол жеткізе алмадық.
Қазіргі уақытта батарея технологиясының ең жоғары стандарты - литий-ионды батареялар. Бұл батарея ең жақсы энергия тығыздығына, жоғары тиімділікке (шамамен 99%) және ұзақ қызмет ету мерзіміне ие болып көрінеді.
Сонымен не болды? Біз жинайтын жаңартылатын энергия көлемі өсе берген сайын, литий-ионды батареялардың энергия тығыздығы жеткіліксіз болып қалады.
Батареяларды партиямен өндіруді жалғастыра алатындықтан, бұл үлкен мәселе емес сияқты, бірақ мәселе литий салыстырмалы түрде сирек кездесетін металл болғандықтан, оның құны төмен емес. Батарея өндірісінің құны төмендеп жатқанымен, энергия сақтау қажеттілігі де тез артып келеді.
Біз литий-ионды аккумулятор өндірілгеннен кейін энергетика саласына үлкен әсер ететін деңгейге жеттік.
Қазба отындарының энергия тығыздығының жоғары екені рас, және бұл жаңартылатын энергияға толық тәуелділікке көшуге кедергі келтіретін үлкен әсер етуші фактор. Бізге салмағымыздан көп энергия шығаратын батареялар қажет.
Литий-ионды батареялар қалай жұмыс істейді
Литий батареяларының жұмыс механизмі кәдімгі AA немесе AAA химиялық батареяларына ұқсас. Олардың анодтық және катодтық терминалдары, сондай-ақ арасында электролит бар. Кәдімгі батареялардан айырмашылығы, литий-иондық батареядағы разряд реакциясы қайтымды, сондықтан батареяны бірнеше рет қайта-қайта зарядтауға болады.
Катод (+ терминал) литий темір фосфатынан, анод (-терминал) графиттен, ал графит көміртектен жасалған. Электр тогы – бұл электрондардың ағыны ғана. Бұл батареялар литий иондарын анод пен катод арасында жылжыту арқылы электр энергиясын өндіреді.
Зарядталған кезде иондар анодқа қарай жылжиды, ал разрядталған кезде катодқа қарай жылжиды.
Иондардың бұл қозғалысы тізбектегі электрондардың қозғалысын тудырады, сондықтан литий иондарының қозғалысы мен электрондардың қозғалысы бір-бірімен байланысты.
Кремний анодты батарея
BMW сияқты көптеген ірі автомобиль компаниялары кремний анодты батареяларды әзірлеуге инвестиция салуда. Кәдімгі литий-ионды батареялар сияқты, бұл батареялар литий анодтарын пайдаланады, бірақ көміртекті анодтардың орнына олар кремнийді пайдаланады.
Анод ретінде кремний графиттен жақсырақ, себебі ол литийді ұстап тұру үшін 4 көміртек атомын қажет етеді, ал 1 кремний атомы 4 литий ионын ұстай алады. Бұл үлкен жаңарту... кремнийді графиттен 3 есе берік етеді.
Соған қарамастан, литийді пайдалану әлі де екі жақты қылыш. Бұл материал әлі де қымбат, бірақ өндірістік қуаттарды кремний элементтеріне ауыстыру да оңай. Егер батареялар мүлдем басқаша болса, зауытты толығымен қайта жобалауға тура келеді, бұл ауысудың тартымдылығын аздап төмендетеді.
Кремний анодтары құмды өңдеу арқылы таза кремний алу арқылы жасалады, бірақ зерттеушілердің қазіргі кездегі ең үлкен мәселесі - кремний анодтары қолданылған кезде ісініп кетеді. Бұл батареяның тым тез тозуына әкелуі мүмкін. Анодтарды жаппай өндіру де қиын.
Графен батареясы
Графен - қарындашпен бірдей материалды пайдаланатын көміртекті үлпектің бір түрі, бірақ графитті үлпектерге бекіту көп уақытты алады. Графен көптеген пайдалану жағдайларында тамаша өнімділігі үшін мақталады, ал батареялар солардың бірі болып табылады.
Кейбір компаниялар литий-ионды батареяларға қарағанда бірнеше минут ішінде толық зарядталатын және 33 есе жылдам разрядталатын графен батареяларын жасаумен айналысуда. Бұл электромобильдер үшін өте пайдалы.
Көбік батареясы
Қазіргі уақытта дәстүрлі батареялар екі өлшемді. Олар литий батареясы сияқты қабаттасып немесе әдеттегі AA немесе литий-ионды батарея сияқты оралып тұрады.
Көбік батареясы - электр зарядының 3D кеңістігіндегі қозғалысын қамтитын жаңа тұжырымдама.
Бұл 3 өлшемді құрылым зарядтау уақытын жылдамдатып, энергия тығыздығын арттыра алады, бұл батареяның өте маңызды қасиеттері. Басқа батареялардың көпшілігімен салыстырғанда, көбікті батареяларда зиянды сұйық электролиттер жоқ.
Көбік батареялары сұйық электролиттердің орнына қатты электролиттерді пайдаланады. Бұл электролит тек литий иондарын өткізіп қана қоймай, сонымен қатар басқа электрондық құрылғыларды оқшаулайды.
Батареяның теріс зарядын ұстап тұратын анод көбікті мыстан жасалған және қажетті белсенді материалмен қапталған.
Содан кейін анодтың айналасына қатты электролит жағылады.
Соңында, батареяның ішіндегі бос орындарды толтыру үшін «позитивті паста» қолданылады.
Алюминий оксиді батареясы
Бұл батареялардың энергия тығыздығы кез келген батареямен салыстырғанда ең жоғары. Оның энергиясы қазіргі литий-ионды батареяларға қарағанда қуаттырақ және жеңілірек. Кейбір адамдар бұл батареялар 2000 шақырым электромобильдерді жүргізе алады деп мәлімдейді. Бұл тұжырымдама не? Анықтама ретінде Tesla-ның максималды жүру қашықтығы шамамен 600 шақырымды құрайды.
Бұл батареялардың мәселесі - оларды зарядтау мүмкін емес. Олар алюминий гидроксидін өндіреді және су негізіндегі электролиттегі алюминий мен оттегінің реакциясы арқылы энергия бөледі. Батареяларды пайдалану алюминийді анод ретінде тұтынады.
Натрий батареясы
Қазіргі уақытта жапон ғалымдары литийдің орнына натрийді пайдаланатын батареялар жасаумен айналысуда.
Бұл үлкен өзгеріс әкелер еді, себебі натрий батареялары теориялық тұрғыдан литий батареяларына қарағанда 7 есе тиімдірек. Тағы бір үлкен артықшылығы - натрий сирек кездесетін элемент болып табылатын литиймен салыстырғанда жер қорындағы алтыншы ең бай элемент болып табылады.
Жарияланған уақыты: 2019 жылғы 2 желтоқсан