Poznámka redaktora: Elektrická technológia je budúcnosťou zelenej Zeme a technológia batérií je základom elektrickej technológie a kľúčom k obmedzeniu rozsiahleho rozvoja elektrickej technológie. Súčasnou bežnou technológiou batérií sú lítium-iónové batérie, ktoré majú dobrú energetickú hustotu a vysokú účinnosť. Lítium je však vzácny prvok s vysokými nákladmi a obmedzenými zdrojmi. Zároveň s rastúcim využívaním obnoviteľných zdrojov energie už energetická hustota lítium-iónových batérií nie je dostatočná. Ako reagovať? Mayank Jain zhodnotil niektoré technológie batérií, ktoré by sa mohli v budúcnosti použiť. Pôvodný článok bol publikovaný na médiu s názvom: Budúcnosť technológie batérií.
Zem je plná energie a my robíme všetko, čo je v našich silách, aby sme túto energiu zachytili a dobre využili. Hoci sme odviedli lepšiu prácu v prechode na obnoviteľné zdroje energie, v jej skladovaní sme nedosiahli veľký pokrok.
V súčasnosti je najvyšším štandardom technológie batérií lítium-iónové batérie. Zdá sa, že táto batéria má najlepšiu hustotu energie, vysokú účinnosť (približne 99 %) a dlhú životnosť.
Čo je teda zle? Keďže množstvo obnoviteľnej energie, ktorú zachytávame, neustále rastie, energetická hustota lítium-iónových batérií už nie je dostatočná.
Keďže môžeme batérie naďalej vyrábať v dávkach, nezdá sa to byť veľký problém, ale problém je, že lítium je relatívne vzácny kov, takže jeho cena nie je nízka. Hoci náklady na výrobu batérií klesajú, potreba skladovania energie tiež rýchlo rastie.
Dostali sme sa do bodu, kedy akonáhle bude lítium-iónová batéria vyrobená, bude mať obrovský vplyv na energetický priemysel.
Vyššia energetická hustota fosílnych palív je faktom a je to obrovský ovplyvňujúci faktor, ktorý bráni prechodu na úplnú závislosť od obnoviteľných zdrojov energie. Potrebujeme batérie, ktoré vyžarujú viac energie, ako je naša hmotnosť.
Ako fungujú lítium-iónové batérie
Princíp fungovania lítiových batérií je podobný bežným chemickým batériám typu AA alebo AAA. Majú anódový a katódový pól a medzi nimi elektrolyt. Na rozdiel od bežných batérií je vybíjacia reakcia v lítium-iónovej batérii reverzibilná, takže batériu je možné opakovane nabíjať.
Katóda (+ pól) je vyrobená z fosforečnanu lítno-železitého, anóda (- pól) je vyrobená z grafitu a grafit je vyrobený z uhlíka. Elektrina je len tok elektrónov. Tieto batérie generujú elektrinu pohybom lítiových iónov medzi anódou a katódou.
Po nabití sa ióny pohybujú k anóde a po vybití sa ióny pohybujú ku katóde.
Tento pohyb iónov spôsobuje pohyb elektrónov v obvode, takže pohyb lítiových iónov a pohyb elektrónov spolu súvisia.
Kremíková anódová batéria
Mnoho veľkých automobilových spoločností, ako napríklad BMW, investuje do vývoja kremíkových anódových batérií. Rovnako ako bežné lítium-iónové batérie, aj tieto batérie používajú lítiové anódy, ale namiesto uhlíkových anód používajú kremík.
Ako anóda je kremík lepší ako grafit, pretože na udržanie lítia potrebuje 4 atómy uhlíka a 1 atóm kremíka dokáže udržať 4 lítiové ióny. Toto je významné vylepšenie... vďaka čomu je kremík trikrát silnejší ako grafit.
Napriek tomu je používanie lítia stále dvojsečnou zbraňou. Tento materiál je stále drahý, ale je tiež jednoduchšie presunúť výrobné zariadenia na kremíkové články. Ak budú batérie úplne iné, bude potrebné kompletne prepracovať továreň, čo spôsobí, že sa atraktívnosť prechodu mierne zníži.
Kremíkové anódy sa vyrábajú úpravou piesku za účelom výroby čistého kremíka, ale najväčším problémom, ktorému v súčasnosti čelia výskumníci, je, že kremíkové anódy pri používaní napučiavajú. To môže spôsobiť príliš rýchlu degradáciu batérie. Je tiež ťažké hromadne vyrábať anódy.
Grafénová batéria
Grafén je typ uhlíkových vločiek, ktoré sa vyrábajú z rovnakého materiálu ako ceruzka, ale ich pripevnenie k vločkám si vyžaduje veľa času. Grafén je chválený pre svoj vynikajúci výkon v mnohých prípadoch použitia a batérie sú jedným z nich.
Niektoré spoločnosti pracujú na grafénoch, ktoré sa dajú úplne nabiť za pár minút a vybiť 33-krát rýchlejšie ako lítium-iónové batérie. To má pre elektromobily veľkú hodnotu.
Penová batéria
V súčasnosti sú tradičné batérie dvojrozmerné. Sú buď naskladané ako lítiová batéria, alebo zrolované ako typická AA alebo lítium-iónová batéria.
Penová batéria je nový koncept, ktorý zahŕňa pohyb elektrického náboja v 3D priestore.
Táto trojrozmerná štruktúra dokáže urýchliť čas nabíjania a zvýšiť hustotu energie, čo sú mimoriadne dôležité vlastnosti batérie. V porovnaní s väčšinou ostatných batérií penové batérie neobsahujú žiadne škodlivé tekuté elektrolyty.
Penové batérie používajú tuhé elektrolyty namiesto kvapalných. Tento elektrolyt nielen vedie lítiové ióny, ale aj izoluje iné elektronické zariadenia.
Anóda, ktorá drží záporný náboj batérie, je vyrobená z penovej medi a potiahnutá požadovaným aktívnym materiálom.
Okolo anódy sa potom nanesie pevný elektrolyt.
Nakoniec sa na vyplnenie medzier vo vnútri batérie použije takzvaná „pozitívna pasta“.
Batéria z oxidu hlinitého
Tieto batérie majú jednu z najväčších energetických hustôt spomedzi všetkých batérií. Ich energia je výkonnejšia a ľahšia ako u súčasných lítium-iónových batérií. Niektorí ľudia tvrdia, že tieto batérie dokážu zabezpečiť 2 000 kilometrov prejazdu elektrických vozidiel. Čo je to za koncept? Pre porovnanie, maximálny dojazd Tesly je približne 600 kilometrov.
Problém s týmito batériami je, že sa nedajú nabíjať. Produkujú hydroxid hlinitý a uvoľňujú energiu reakciou hliníka a kyslíka v elektrolyte na vodnej báze. Používanie batérií spotrebúva hliník ako anódu.
Sodíková batéria
Japonskí vedci v súčasnosti pracujú na výrobe batérií, ktoré používajú sodík namiesto lítia.
To by bolo prevratné, pretože sodíkové batérie sú teoreticky 7-krát účinnejšie ako lítiové batérie. Ďalšou obrovskou výhodou je, že sodík je šiestym najbohatším prvkom v zemských zásobách v porovnaní s lítiom, ktoré je vzácnym prvkom.
Čas uverejnenia: 2. decembra 2019