Redaktoriaus pastaba: Elektros technologijos yra žaliosios žemės ateitis, o akumuliatorių technologija yra elektros technologijų pagrindas ir raktas į didelio masto elektros technologijų plėtros ribojimą. Dabartinė pagrindinė akumuliatorių technologija yra ličio jonų akumuliatoriai, pasižymintys geru energijos tankiu ir dideliu efektyvumu. Tačiau ličio yra retas elementas, brangus ir ribotais ištekliais. Tuo pačiu metu, augant atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimui, ličio jonų akumuliatorių energijos tankio nebepakanka. Kaip į tai reaguoti? Mayank Jain apžvelgė kai kurias akumuliatorių technologijas, kurios gali būti naudojamos ateityje. Originalus straipsnis buvo paskelbtas žiniasklaidoje pavadinimu: „Akumuliatorių technologijos ateitis“.
Žemė pilna energijos, ir mes darome viską, ką galime, kad ją surinktume ir tinkamai panaudotume. Nors mums geriau sekėsi pereiti prie atsinaujinančiosios energijos, energijos kaupimo srityje nepasiekėme didelės pažangos.
Šiuo metu aukščiausias akumuliatorių technologijos standartas yra ličio jonų akumuliatoriai. Atrodo, kad šie akumuliatoriai pasižymi geriausiu energijos tankiu, dideliu efektyvumu (apie 99 %) ir ilgu tarnavimo laiku.
Taigi, kas negerai? Kadangi mūsų surenkamos atsinaujinančios energijos kiekis toliau auga, ličio jonų akumuliatorių energijos tankis nebėra pakankamas.
Kadangi galime ir toliau gaminti baterijas partijomis, tai neatrodo didelė problema, tačiau problema ta, kad litis yra gana retas metalas, todėl jo kaina nėra maža. Nors baterijų gamybos sąnaudos mažėja, sparčiai didėja ir energijos kaupimo poreikis.
Pasiekėme tokį tašką, kai pagamintos ličio jonų baterijos turės didžiulį poveikį energetikos pramonei.
Didesnis iškastinio kuro energijos tankis yra faktas, ir tai yra didžiulis įtakos veiksnys, trukdantis pereiti prie visiškos priklausomybės nuo atsinaujinančios energijos. Mums reikia baterijų, kurios išskiria daugiau energijos nei mes sveriame.
Kaip veikia ličio jonų baterijos
Ličio baterijų veikimo mechanizmas yra panašus į įprastų AA arba AAA cheminių baterijų. Jos turi anodo ir katodo gnybtus, o tarp jų – elektrolitą. Skirtingai nuo įprastų baterijų, ličio jonų baterijos iškrovimo reakcija yra grįžtama, todėl bateriją galima įkrauti pakartotinai.
Katodas (+ terminalas) pagamintas iš ličio geležies fosfato, anodas (- terminalas) – iš grafito, o grafitas – iš anglies. Elektra tėra elektronų srautas. Šios baterijos generuoja elektrą judindamos ličio jonus tarp anodo ir katodo.
Įkrovus jonus, jie juda link anodo, o išsikrovus – link katodo.
Šis jonų judėjimas sukelia elektronų judėjimą grandinėje, todėl ličio jonų judėjimas ir elektronų judėjimas yra susiję.
Silicio anodo baterija
Daugelis didelių automobilių kompanijų, tokių kaip BMW, investavo į silicio anodinių akumuliatorių kūrimą. Kaip ir įprastose ličio jonų baterijose, šiose baterijose naudojami ličio anodai, tačiau vietoj anglies pagrindo anodų naudojamas silicis.
Kaip anodas, silicis yra geresnis už grafitą, nes jam reikia 4 anglies atomų, kad išlaikytų litį, o 1 silicio atomas gali išlaikyti 4 ličio jonus. Tai didelis patobulinimas... dėl kurio silicis yra 3 kartus stipresnis už grafitą.
Nepaisant to, ličio naudojimas vis dar yra dviašmenis kardas. Ši medžiaga vis dar brangi, tačiau gamybos įrenginius lengviau perkelti į silicio elementus. Jei baterijos bus visiškai kitokios, gamyklą reikės visiškai pertvarkyti, todėl perėjimo prie jų patrauklumas šiek tiek sumažės.
Silicio anodai gaminami apdorojant smėlį, kad būtų gautas grynas silicis, tačiau didžiausia problema, su kuria šiuo metu susiduria tyrėjai, yra ta, kad silicio anodai naudojimo metu išsipučia. Dėl to baterija gali per greitai susidėvėti. Be to, anodus sunku gaminti masiškai.
Grafeno baterija
Grafenas yra anglies dribsnių rūšis, pagaminta iš tos pačios medžiagos kaip ir pieštukas, tačiau grafito pritvirtinimas prie dribsnių užima daug laiko. Grafenas giriamas už puikų veikimą daugeliu atvejų, o baterijos yra vienas iš jų.
Kai kurios įmonės kuria grafeno baterijas, kurias galima visiškai įkrauti per kelias minutes ir išsikrauti 33 kartus greičiau nei ličio jonų baterijas. Tai labai vertinga elektromobiliams.
Putplasčio baterija
Šiuo metu tradicinės baterijos yra dvimatės. Jos yra arba sukrautos viena ant kitos kaip ličio baterijos, arba susuktos kaip įprastos AA arba ličio jonų baterijos.
Putplasčio baterija yra nauja koncepcija, apimanti elektros krūvio judėjimą 3D erdvėje.
Ši trimatė struktūra gali pagreitinti įkrovimo laiką ir padidinti energijos tankį – tai itin svarbios akumuliatoriaus savybės. Palyginti su dauguma kitų akumuliatorių, putplasčio akumuliatoriuose nėra kenksmingų skystų elektrolitų.
Putplasčio baterijose vietoj skystų elektrolitų naudojami kieti elektrolitai. Šis elektrolitas ne tik praleidžia ličio jonus, bet ir izoliuoja kitus elektroninius prietaisus.
Anodas, laikantis neigiamą akumuliatoriaus krūvį, yra pagamintas iš putplasčio vario ir padengtas reikiama aktyvia medžiaga.
Tada aplink anodą uždedamas kietas elektrolitas.
Galiausiai, vadinamoji „teigiamo krūvio pasta“ naudojama užpildyti akumuliatoriaus viduje esančius tarpus.
Aliuminio oksido baterija
Šios baterijos pasižymi vienu didžiausių energijos tankių iš visų baterijų. Jos yra galingesnės ir lengvesnės nei dabartinių ličio jonų baterijų. Kai kurie teigia, kad šios baterijos gali aprūpinti elektromobilius 2000 kilometrų atstumu. Kas tai per koncepcija? Pavyzdžiui, maksimalus „Tesla“ nuvažiuojamas atstumas yra apie 600 kilometrų.
Šių baterijų problema yra ta, kad jų negalima įkrauti. Jos gamina aliuminio hidroksidą ir išskiria energiją per aliuminio ir deguonies reakciją vandeniniame elektrolite. Baterijų naudojimas aliuminį sunaudoja kaip anodą.
Natrio baterija
Šiuo metu Japonijos mokslininkai kuria baterijas, kuriose vietoj ličio būtų naudojamas natris.
Tai būtų trikdantis reiškinys, nes natrio baterijos teoriškai yra 7 kartus efektyvesnės nei ličio baterijos. Dar vienas didžiulis privalumas yra tas, kad natris yra šeštas pagal turtingumą elementas Žemės atsargose, palyginti su ličiu, kuris yra retas elementas.
Įrašo laikas: 2019 m. gruodžio 2 d.