Notă a editorului: Tehnologia electrică este viitorul Pământului verde, iar tehnologia bateriilor este fundamentul tehnologiei electrice și cheia pentru limitarea dezvoltării la scară largă a tehnologiei electrice. Tehnologia principală actuală a bateriilor este cea a bateriilor litiu-ion, care au o densitate energetică bună și o eficiență ridicată. Cu toate acestea, litiul este un element rar, cu costuri ridicate și resurse limitate. În același timp, pe măsură ce utilizarea surselor de energie regenerabilă crește, densitatea energetică a bateriilor litiu-ion nu mai este suficientă. Cum să reacționăm? Mayank Jain a făcut un bilanț al unor tehnologii de baterii care ar putea fi utilizate în viitor. Articolul original a fost publicat pe Medium cu titlul: Viitorul tehnologiei bateriilor.
Pământul este plin de energie, iar noi facem tot ce putem pentru a capta și a utiliza eficient această energie. Deși am făcut o treabă mai bună în tranziția către energia regenerabilă, nu am făcut prea multe progrese în stocarea energiei.
În prezent, cel mai înalt standard al tehnologiei bateriilor este reprezentat de bateriile litiu-ion. Această baterie pare să aibă cea mai bună densitate energetică, o eficiență ridicată (aproximativ 99%) și o durată lungă de viață.
Deci, ce este în neregulă? Pe măsură ce energia regenerabilă pe care o captăm continuă să crească, densitatea energetică a bateriilor litiu-ion nu mai este suficientă.
Din moment ce putem continua să producem baterii în loturi, acest lucru nu pare a fi o mare problemă, dar problema este că litiul este un metal relativ rar, așa că costul său nu este scăzut. Deși costurile de producție a bateriilor sunt în scădere, nevoia de stocare a energiei crește, de asemenea, rapid.
Am ajuns într-un punct în care, odată ce bateria litiu-ion va fi fabricată, aceasta va avea un impact uriaș asupra industriei energetice.
Densitatea energetică mai mare a combustibililor fosili este un fapt, iar acesta este un factor de influență uriaș care împiedică tranziția către o dependență totală de energia regenerabilă. Avem nevoie de baterii care să emită mai multă energie decât greutatea noastră.
Cum funcționează bateriile litiu-ion
Mecanismul de funcționare al bateriilor litiu este similar cu cel al bateriilor chimice obișnuite AA sau AAA. Acestea au terminale de anod și catod și un electrolit între ele. Spre deosebire de bateriile obișnuite, reacția de descărcare într-o baterie litiu-ion este reversibilă, astfel încât bateria poate fi reîncărcată în mod repetat.
Catodul (terminalul +) este fabricat din fosfat de litiu și fier, anodul (terminalul -) este fabricat din grafit, iar grafitul este fabricat din carbon. Electricitatea este pur și simplu fluxul de electroni. Aceste baterii generează electricitate prin mișcarea ionilor de litiu între anod și catod.
Când sunt încărcați, ionii se deplasează spre anod, iar când sunt descărcați, ionii aleargă spre catod.
Această mișcare a ionilor provoacă mișcarea electronilor în circuit, deci mișcarea ionilor de litiu și mișcarea electronilor sunt legate.
Baterie cu anod de siliciu
Multe companii mari producătoare de automobile, precum BMW, au investit în dezvoltarea bateriilor cu anozi de siliciu. La fel ca bateriile litiu-ion obișnuite, aceste baterii folosesc anozi de litiu, dar în loc de anozi pe bază de carbon, folosesc siliciu.
Ca anod, siliciul este mai bun decât grafitul, deoarece necesită 4 atomi de carbon pentru a susține litiul, iar 1 atom de siliciu poate susține 4 ioni de litiu. Aceasta este o îmbunătățire majoră... ceea ce face ca siliciul să fie de 3 ori mai puternic decât grafitul.
Cu toate acestea, utilizarea litiului este încă o sabie cu două tăișuri. Acest material este încă scump, dar este și mai ușor să transferi instalațiile de producție la celule de siliciu. Dacă bateriile sunt complet diferite, fabrica va trebui să fie complet reproiectată, ceea ce va duce la o ușoară reducere a atractivității trecerii la energie electrică.
Anozii de siliciu sunt fabricați prin tratarea nisipului pentru a produce siliciu pur, dar cea mai mare problemă cu care se confruntă cercetătorii în prezent este că anozii de siliciu se umflă atunci când sunt utilizați. Acest lucru poate duce la degradarea prea rapidă a bateriei. De asemenea, este dificil să se producă anozi în masă.
Baterie de grafen
Grafenul este un tip de fulg de carbon care folosește același material ca un creion, dar atașarea grafitului la fulgi necesită mult timp. Grafenul este lăudat pentru performanțele sale excelente în multe cazuri de utilizare, iar bateriile sunt unul dintre ele.
Unele companii lucrează la baterii de grafen care pot fi încărcate complet în câteva minute și se descarcă de 33 de ori mai repede decât bateriile litiu-ion. Acest lucru este de mare valoare pentru vehiculele electrice.
Baterie din spumă
În prezent, bateriile tradiționale sunt bidimensionale. Sunt fie stivuite ca o baterie de litiu, fie rulate ca o baterie AA sau litiu-ion tipică.
Bateria din spumă este un concept nou care implică mișcarea sarcinii electrice în spațiul 3D.
Această structură tridimensională poate accelera timpul de încărcare și poate crește densitatea energiei, acestea fiind calități extrem de importante ale bateriei. Comparativ cu majoritatea celorlalte baterii, bateriile cu spumă nu au electroliți lichizi nocivi.
Bateriile din spumă folosesc electroliți solizi în loc de electroliți lichizi. Acest electrolit nu numai că conduce ionii de litiu, dar izolează și alte dispozitive electronice.
Anodul care menține sarcina negativă a bateriei este fabricat din cupru spumat și acoperit cu materialul activ necesar.
Apoi se aplică un electrolit solid în jurul anodului.
În cele din urmă, se folosește o așa-numită „pastă pozitivă” pentru a umple golurile din interiorul bateriei.
Baterie cu oxid de aluminiu
Aceste baterii au una dintre cele mai mari densități energetice dintre toate bateriile. Energia lor este mai puternică și mai ușoară decât bateriile litiu-ion actuale. Unii susțin că aceste baterii pot asigura o autonomie de 2.000 de kilometri pentru vehicule electrice. Ce este acest concept? Ca referință, autonomia maximă de croazieră a unui Tesla este de aproximativ 600 de kilometri.
Problema cu aceste baterii este că nu pot fi încărcate. Ele produc hidroxid de aluminiu și eliberează energie prin reacția dintre aluminiu și oxigen într-un electrolit pe bază de apă. Utilizarea bateriilor consumă aluminiu ca anod.
Baterie cu sodiu
În prezent, oamenii de știință japonezi lucrează la fabricarea de baterii care utilizează sodiu în loc de litiu.
Acest lucru ar fi disruptiv, deoarece bateriile cu sodiu sunt teoretic de 7 ori mai eficiente decât bateriile cu litiu. Un alt avantaj uriaș este că sodiul este al șaselea cel mai bogat element din rezervele Pământului, comparativ cu litiul, care este un element rar.
Data publicării: 02 dec. 2019