Примечание редактора: Электротехнологии — это будущее зеленой планеты, а аккумуляторные технологии — это основа электротехнологий и ключ к ограничению их масштабного развития. В настоящее время основной технологией являются литий-ионные батареи, обладающие хорошей плотностью энергии и высокой эффективностью. Однако литий — редкий элемент, дорогостоящий и с ограниченными ресурсами. В то же время, по мере роста использования возобновляемых источников энергии, плотность энергии литий-ионных батарей уже недостаточна. Как на это реагировать? Маянк Джайн проанализировал некоторые аккумуляторные технологии, которые могут быть использованы в будущем. Оригинальная статья была опубликована на Medium под заголовком: «Будущее аккумуляторных технологий».
Земля полна энергии, и мы делаем все возможное, чтобы уловить и эффективно использовать эту энергию. Хотя мы добились больших успехов в переходе к возобновляемым источникам энергии, мы не сильно продвинулись в ее хранении.
В настоящее время наивысшим стандартом в области аккумуляторных технологий являются литий-ионные батареи. Эти батареи, по-видимому, обладают наилучшей плотностью энергии, высокой эффективностью (около 99%) и длительным сроком службы.
Так в чем же проблема? По мере роста объемов используемой нами возобновляемой энергии, плотности энергии литий-ионных батарей уже недостаточно.
Поскольку мы можем продолжать производить батареи партиями, это, казалось бы, не представляет большой проблемы, но проблема в том, что литий — относительно редкий металл, поэтому его стоимость не низкая. Хотя себестоимость производства батарей снижается, потребность в системах хранения энергии также быстро растет.
Мы достигли точки, когда после начала производства литий-ионных батарей они окажут огромное влияние на энергетическую отрасль.
Более высокая энергетическая плотность ископаемого топлива — это факт, и это огромный фактор, препятствующий переходу к полной зависимости от возобновляемых источников энергии. Нам нужны батареи, которые излучают больше энергии, чем наш вес.
Как работают литий-ионные батареи
Принцип работы литиевых батарей аналогичен принципу работы обычных химических батареек типа ААА. Они имеют анод и катод, а между ними находится электролит. В отличие от обычных батарей, реакция разряда в литий-ионной батарее обратима, поэтому батарею можно многократно перезаряжать.
Катод (+ клемма) изготовлен из фосфата лития-железа, анод (- клемма) — из графита, а графит — из углерода. Электричество — это просто поток электронов. Эти батареи вырабатывают электричество, перемещая ионы лития между анодом и катодом.
При зарядке ионы движутся к аноду, а при разрядке — к катоду.
Движение ионов вызывает движение электронов в цепи, поэтому движение ионов лития и движение электронов взаимосвязаны.
Кремниевая анодная батарея
Многие крупные автомобильные компании, такие как BMW, инвестируют в разработку батарей с кремниевым анодом. Как и обычные литий-ионные батареи, эти батареи используют литиевые аноды, но вместо углеродных анодов в них используется кремний.
В качестве анода кремний превосходит графит, поскольку для удержания лития требуется 4 атома углерода, а 1 атом кремния может удерживать 4 иона лития. Это существенное улучшение… благодаря чему кремний в 3 раза прочнее графита.
Тем не менее, использование лития по-прежнему является палкой о двух концах. Этот материал всё ещё дорог, но и производственные мощности проще перенести на кремниевые элементы. Если батареи будут совершенно другими, завод придётся полностью перепроектировать, что несколько снизит привлекательность перехода на литиевые батареи.
Кремниевые аноды изготавливаются путем обработки песка для получения чистого кремния, но самая большая проблема, с которой в настоящее время сталкиваются исследователи, заключается в том, что кремниевые аноды разбухают при использовании. Это может привести к слишком быстрой деградации батареи. Кроме того, сложно наладить массовое производство анодов.
Графеновая батарея
Графен — это разновидность углеродных хлопьев, в которых используется тот же материал, что и в карандаше, но процесс присоединения графита к хлопьям занимает много времени. Графен высоко ценится за свои превосходные характеристики во многих областях применения, и батареи — одна из них.
Некоторые компании работают над созданием графеновых батарей, которые можно полностью зарядить за считанные минуты и разрядить в 33 раза быстрее, чем литий-ионные батареи. Это имеет огромное значение для электромобилей.
Пенопластовая батарея
В настоящее время традиционные батареи имеют двухмерную структуру. Они либо сложены, как литиевые батареи, либо свернуты, как обычные батарейки типа АА или литий-ионные батареи.
Пенопластовая батарея — это новая концепция, предполагающая перемещение электрического заряда в трехмерном пространстве.
Эта трехмерная структура позволяет ускорить время зарядки и повысить плотность энергии, что является чрезвычайно важными качествами батареи. По сравнению с большинством других батарей, в пенополимерных батареях отсутствуют вредные жидкие электролиты.
В пенопластовых батареях вместо жидких электролитов используются твердые электролиты. Этот электролит не только проводит ионы лития, но и изолирует другие электронные устройства.
Анод, удерживающий отрицательный заряд батареи, изготовлен из вспененной меди и покрыт необходимым активным материалом.
Затем вокруг анода наносится твердый электролит.
Наконец, для заполнения зазоров внутри батареи используется так называемая «положительная паста».
Аккумулятор из оксида алюминия
Эти батареи обладают одной из самых высоких плотностей энергии среди всех батарей. Их энергия мощнее, а вес меньше, чем у современных литий-ионных батарей. Некоторые утверждают, что эти батареи могут обеспечить запас хода электромобиля в 2000 километров. Что это за концепция? Для сравнения, максимальный запас хода Tesla составляет около 600 километров.
Проблема этих батарей в том, что их нельзя заряжать. Они производят гидроксид алюминия и выделяют энергию в результате реакции алюминия и кислорода в электролите на водной основе. Использование батарей приводит к расходу алюминия в качестве анода.
Натриевая батарея
В настоящее время японские ученые работают над созданием батарей, в которых вместо лития используется натрий.
Это стало бы революционным шагом, поскольку натриевые батареи теоретически в 7 раз эффективнее литиевых. Еще одно огромное преимущество заключается в том, что натрий является шестым по богатству элементом в земных запасах, в отличие от лития, который является редким элементом.
Дата публикации: 02.12.2019