Redaktora piezīme: Elektrotehnoloģijas ir zaļās zemes nākotne, un akumulatoru tehnoloģija ir elektrotehnoloģiju pamats un atslēga uz elektrotehnoloģiju plaša mēroga attīstības ierobežošanu. Pašreizējā galvenā akumulatoru tehnoloģija ir litija jonu akumulatori, kuriem ir labs enerģijas blīvums un augsta efektivitāte. Tomēr litijs ir rets elements ar augstām izmaksām un ierobežotiem resursiem. Tajā pašā laikā, pieaugot atjaunojamo enerģijas avotu izmantošanai, litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums vairs nav pietiekams. Kā reaģēt? Majanks Džeins ir apkopojis dažas akumulatoru tehnoloģijas, kuras varētu tikt izmantotas nākotnē. Sākotnējais raksts tika publicēts medijos ar nosaukumu: Akumulatoru tehnoloģijas nākotne.
Zeme ir pilna enerģijas, un mēs darām visu iespējamo, lai šo enerģiju uztvertu un lietderīgi izmantotu. Lai gan esam paveikuši labāku darbu pārejā uz atjaunojamo enerģiju, enerģijas uzglabāšanā neesam guvuši lielus panākumus.
Pašlaik augstākais akumulatoru tehnoloģiju standarts ir litija jonu akumulatori. Šķiet, ka šim akumulatoram ir vislabākais enerģijas blīvums, augsta efektivitāte (aptuveni 99%) un ilgs kalpošanas laiks.
Tātad, kas ir nepareizi? Tā kā mūsu uztvertās atjaunojamās enerģijas apjoms turpina pieaugt, litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums vairs nav pietiekams.
Tā kā mēs varam turpināt ražot akumulatorus partijās, tas nešķiet nekas īpašs, taču problēma ir tā, ka litijs ir relatīvi rets metāls, tāpēc tā izmaksas nav zemas. Lai gan akumulatoru ražošanas izmaksas krītas, strauji pieaug arī nepieciešamība pēc enerģijas uzkrāšanas.
Esam sasnieguši punktu, kurā, tiklīdz litija jonu akumulators būs ražots, tam būs milzīga ietekme uz enerģētikas nozari.
Fosilā kurināmā lielāks enerģijas blīvums ir fakts, un tas ir milzīgs ietekmējošs faktors, kas kavē pāreju uz pilnīgu atkarību no atjaunojamās enerģijas. Mums ir nepieciešamas baterijas, kas izdala vairāk enerģijas nekā mūsu svars.
Kā darbojas litija jonu akumulatori
Litija bateriju darbības mehānisms ir līdzīgs parastajām AA vai AAA ķīmiskajām baterijām. Tām ir anoda un katoda spailes, un starp tām atrodas elektrolīts. Atšķirībā no parastajām baterijām, izlādes reakcija litija jonu akumulatorā ir atgriezeniska, tāpēc akumulatoru var atkārtoti uzlādēt.
Katods (+ terminālis) ir izgatavots no litija dzelzs fosfāta, anods (- terminālis) ir izgatavots no grafīta, un grafīts ir izgatavots no oglekļa. Elektrība ir tikai elektronu plūsma. Šīs baterijas ģenerē elektrību, pārvietojot litija jonus starp anodu un katodu.
Uzlādējoties, joni pārvietojas uz anodu, un izlādējoties joni plūst uz katodu.
Šī jonu kustība izraisa elektronu kustību ķēdē, tāpēc litija jonu kustība un elektronu kustība ir saistītas.
Silīcija anoda akumulators
Daudzi lieli autobūves uzņēmumi, piemēram, BMW, ir ieguldījuši līdzekļus silīcija anoda akumulatoru izstrādē. Tāpat kā parastās litija jonu baterijas, arī šīs baterijas izmanto litija anodus, bet oglekļa anodu vietā tajās tiek izmantots silīcijs.
Kā anods silīcijs ir labāks par grafītu, jo litija saturēšanai nepieciešami 4 oglekļa atomi, un 1 silīcija atoms var saturēt 4 litija jonus. Tas ir būtisks uzlabojums… padarot silīciju 3 reizes stiprāku par grafītu.
Tomēr litija izmantošana joprojām ir divvirzienu zobens. Šis materiāls joprojām ir dārgs, taču ir arī vieglāk pārnest ražošanas iekārtas uz silīcija elementiem. Ja baterijas būs pilnīgi atšķirīgas, rūpnīca būs pilnībā jāpārprojektē, kas nedaudz samazinās pārejas pievilcību.
Silīcija anodi tiek izgatavoti, apstrādājot smiltis, lai iegūtu tīru silīciju, taču lielākā problēma, ar ko pētnieki pašlaik saskaras, ir tā, ka silīcija anodi lietošanas laikā uzbriest. Tas var izraisīt akumulatora pārāk ātru nolietošanos. Anodus ir arī grūti ražot masveidā.
Grafēna akumulators
Grafēns ir oglekļa pārslu veids, kurā tiek izmantots tas pats materiāls kā zīmuļa ražošanā, taču grafīta piestiprināšana pārslām prasa daudz laika. Grafēns tiek slavēts par izcilo veiktspēju daudzos lietošanas gadījumos, un baterijas ir viens no tiem.
Daži uzņēmumi strādā pie grafēna akumulatoriem, kurus var pilnībā uzlādēt dažu minūšu laikā un izlādēt 33 reizes ātrāk nekā litija jonu akumulatorus. Tas ir ļoti vērtīgi elektriskajiem transportlīdzekļiem.
Putu akumulators
Pašlaik tradicionālās baterijas ir divdimensiju. Tās ir vai nu sakrautas kā litija baterijas, vai sarullētas kā tipiskas AA vai litija jonu baterijas.
Putu akumulators ir jauna koncepcija, kas ietver elektriskā lādiņa kustību 3D telpā.
Šī trīsdimensiju struktūra var paātrināt uzlādes laiku un palielināt enerģijas blīvumu, kas ir ārkārtīgi svarīgas akumulatora īpašības. Salīdzinot ar lielāko daļu citu akumulatoru, putuplasta akumulatoros nav kaitīgu šķidro elektrolītu.
Putu baterijās šķidro elektrolītu vietā tiek izmantoti cietie elektrolīti. Šis elektrolīts ne tikai vada litija jonus, bet arī izolē citas elektroniskas ierīces.
Anods, kas satur akumulatora negatīvo lādiņu, ir izgatavots no putota vara un pārklāts ar nepieciešamo aktīvo materiālu.
Pēc tam ap anodu tiek uzklāts ciets elektrolīts.
Visbeidzot, akumulatora iekšpusē esošo spraugu aizpildīšanai tiek izmantota tā sauktā “pozitīvā pasta”.
Alumīnija oksīda akumulators
Šīm baterijām ir viens no lielākajiem enerģijas blīvumiem no visām baterijām. To enerģija ir jaudīgāka un vieglāka nekā pašreizējiem litija jonu akumulatoriem. Daži cilvēki apgalvo, ka šīs baterijas var nodrošināt elektromobiļus ar 2000 kilometru nobraukumu. Kas ir šī koncepcija? Atsaucei – Tesla maksimālais nobraucamais attālums ir aptuveni 600 kilometri.
Šo bateriju problēma ir tā, ka tās nevar uzlādēt. Tās ražo alumīnija hidroksīdu un atbrīvo enerģiju, alumīnijam reaģējot ar skābekli ūdens bāzes elektrolītā. Bateriju lietošana patērē alumīniju kā anodu.
Nātrija akumulators
Pašlaik japāņu zinātnieki strādā pie akumulatoru ražošanas, kuros litija vietā tiek izmantots nātrijs.
Tas būtu graujoši, jo nātrija akumulatori teorētiski ir 7 reizes efektīvāki nekā litija akumulatori. Vēl viena milzīga priekšrocība ir tā, ka nātrijs ir sestais bagātākais elements Zemes rezervēs, salīdzinot ar litiju, kas ir rets elements.
Publicēšanas laiks: 2019. gada 2. decembris