Uwaga redaktora: Technologia elektryczna to przyszłość zielonej Ziemi, a technologia baterii stanowi jej fundament i klucz do ograniczenia rozwoju technologii elektrycznej na dużą skalę. Obecnie dominującą technologią baterii są baterie litowo-jonowe, które charakteryzują się dobrą gęstością energetyczną i wysoką wydajnością. Jednak lit jest rzadkim pierwiastkiem o wysokich kosztach i ograniczonych zasobach. Jednocześnie, wraz ze wzrostem wykorzystania odnawialnych źródeł energii, gęstość energetyczna baterii litowo-jonowych przestaje być wystarczająca. Jak zareagować? Mayank Jain dokonał przeglądu technologii baterii, które mogą znaleźć zastosowanie w przyszłości. Oryginalny artykuł został opublikowany w serwisie Medium pod tytułem: Przyszłość technologii baterii
Ziemia jest pełna energii, a my robimy wszystko, co w naszej mocy, aby ją wychwytywać i dobrze wykorzystywać. Chociaż poczyniliśmy większe postępy w przejściu na energię odnawialną, nie poczyniliśmy znaczących postępów w magazynowaniu energii.
Obecnie najwyższym standardem w technologii baterii są baterie litowo-jonowe. Wydaje się, że charakteryzują się one najlepszą gęstością energii, wysoką sprawnością (około 99%) i długą żywotnością.
Co więc jest nie tak? Wraz ze wzrostem ilości pozyskiwanej przez nas energii odnawialnej, gęstość energetyczna baterii litowo-jonowych przestaje być wystarczająca.
Ponieważ możemy nadal produkować baterie partiami, nie wydaje się to wielkim problemem, ale problem polega na tym, że lit jest stosunkowo rzadkim metalem, więc jego koszt nie jest niski. Chociaż koszty produkcji baterii spadają, zapotrzebowanie na magazynowanie energii również gwałtownie rośnie.
Osiągnęliśmy punkt, w którym wyprodukowanie baterii litowo-jonowej będzie miało ogromny wpływ na przemysł energetyczny.
Wyższa gęstość energetyczna paliw kopalnych jest faktem i stanowi ogromny czynnik utrudniający przejście na całkowite uzależnienie od energii odnawialnej. Potrzebujemy baterii, które emitują więcej energii niż nasza waga.
Jak działają baterie litowo-jonowe
Mechanizm działania baterii litowych jest podobny do działania zwykłych baterii chemicznych AA lub AAA. Posiadają one anodę i katodę oraz elektrolit pomiędzy nimi. W przeciwieństwie do zwykłych baterii, reakcja rozładowania w baterii litowo-jonowej jest odwracalna, dzięki czemu można ją wielokrotnie ładować.
Katoda (zacisk +) jest wykonana z fosforanu litu i żelaza, anoda (zacisk -) z grafitu, a grafit z węgla. Prąd elektryczny to po prostu przepływ elektronów. Te baterie generują prąd elektryczny poprzez przemieszczanie jonów litu między anodą a katodą.
Po naładowaniu jony przemieszczają się do anody, a po rozładowaniu – do katody.
Ruch jonów powoduje ruch elektronów w obwodzie, dlatego ruch jonów litu i ruch elektronów są ze sobą powiązane.
Akumulator z anodą krzemową
Wiele dużych firm samochodowych, takich jak BMW, inwestuje w rozwój akumulatorów z anodą krzemową. Podobnie jak zwykłe akumulatory litowo-jonowe, akumulatory te wykorzystują anody litowe, ale zamiast anod węglowych, wykorzystują krzem.
Jako anoda, krzem jest lepszy od grafitu, ponieważ wymaga 4 atomów węgla do utrzymania litu, a 1 atom krzemu może utrzymać 4 jony litu. To istotna zmiana… dzięki której krzem jest 3 razy mocniejszy niż grafit.
Niemniej jednak, zastosowanie litu to wciąż miecz obosieczny. Materiał ten jest nadal drogi, ale jednocześnie łatwiej jest przenieść produkcję na ogniwa krzemowe. Jeśli baterie będą zupełnie inne, fabryka będzie musiała zostać całkowicie przeprojektowana, co nieznacznie zmniejszy atrakcyjność przejścia na nowe technologie.
Anody krzemowe powstają w wyniku obróbki piasku w celu uzyskania czystego krzemu, ale największym problemem, z jakim borykają się obecnie naukowcy, jest to, że anody krzemowe pęcznieją podczas użytkowania. Może to prowadzić do zbyt szybkiej degradacji baterii. Masowa produkcja anod jest również trudna.
Bateria grafenowa
Grafen to rodzaj płatków węglowych, które wykorzystują ten sam materiał co ołówek, ale przyklejanie grafitu do płatków jest bardzo czasochłonne. Grafen jest ceniony za doskonałą wydajność w wielu zastosowaniach, a baterie są jednym z nich.
Niektóre firmy pracują nad bateriami grafenowymi, które można w pełni naładować w ciągu kilku minut i rozładowywać 33 razy szybciej niż baterie litowo-jonowe. To niezwykle cenne rozwiązanie dla pojazdów elektrycznych.
Bateria piankowa
Obecnie tradycyjne baterie są dwuwymiarowe. Są albo układane warstwowo jak baterie litowe, albo zwijane jak typowe baterie AA lub litowo-jonowe.
Bateria piankowa to nowa koncepcja, która zakłada ruch ładunku elektrycznego w przestrzeni trójwymiarowej.
Ta trójwymiarowa struktura może przyspieszyć czas ładowania i zwiększyć gęstość energii – są to niezwykle ważne cechy akumulatora. W porównaniu z większością innych akumulatorów, akumulatory piankowe nie zawierają szkodliwych elektrolitów ciekłych.
Akumulatory piankowe wykorzystują elektrolit stały zamiast ciekłego. Elektrolit ten nie tylko przewodzi jony litu, ale także izoluje inne urządzenia elektroniczne.
Anoda, która utrzymuje ujemny ładunek akumulatora, wykonana jest z spienionej miedzi i pokryta odpowiednim materiałem aktywnym.
Następnie wokół anody nakładany jest stały elektrolit.
Na koniec stosuje się tzw. „pastę pozytywną”, która wypełnia szczeliny wewnątrz akumulatora.
Akumulator tlenku glinu
Te akumulatory charakteryzują się jedną z największych gęstości energii spośród wszystkich akumulatorów. Ich energia jest mocniejsza i lżejsza niż w przypadku obecnych akumulatorów litowo-jonowych. Niektórzy twierdzą, że akumulatory te zapewniają zasięg 2000 kilometrów dla pojazdów elektrycznych. Na czym polega ta koncepcja? Dla porównania, maksymalny zasięg Tesli wynosi około 600 kilometrów.
Problem z tymi bateriami polega na tym, że nie da się ich ładować. Wytwarzają one wodorotlenek glinu i uwalniają energię poprzez reakcję aluminium z tlenem w elektrolicie na bazie wody. Podczas użytkowania baterii aluminium zużywa się jako anodę.
Bateria sodowa
Obecnie japońscy naukowcy pracują nad stworzeniem baterii wykorzystujących sód zamiast litu.
Byłoby to destrukcyjne, ponieważ baterie sodowe są teoretycznie 7 razy bardziej wydajne niż baterie litowe. Kolejną ogromną zaletą jest to, że sód jest szóstym najbogatszym pierwiastkiem w zasobach Ziemi, w porównaniu z litem, który jest pierwiastkiem rzadkim.
Czas publikacji: 02-12-2019