Opomba urednika: Električna tehnologija je prihodnost zelene Zemlje, tehnologija baterij pa je temelj električne tehnologije in ključ do omejevanja obsežnega razvoja električne tehnologije. Trenutna prevladujoča tehnologija baterij so litij-ionske baterije, ki imajo dobro energijsko gostoto in visoko učinkovitost. Vendar je litij redek element z visokimi stroški in omejenimi viri. Hkrati pa z naraščajočo uporabo obnovljivih virov energije energijska gostota litij-ionskih baterij ni več zadostna. Kako se odzvati? Mayank Jain je pregledal nekatere tehnologije baterij, ki bi se lahko uporabljale v prihodnosti. Izvirni članek je bil objavljen na mediju z naslovom: Prihodnost tehnologije baterij.
Zemlja je polna energije in delamo vse, kar je v naši moči, da bi to energijo ujeli in dobro izkoristili. Čeprav smo pri prehodu na obnovljive vire energije opravili boljše delo, pri shranjevanju energije nismo dosegli velikega napredka.
Trenutno je najvišji standard tehnologije baterij litij-ionske baterije. Zdi se, da imajo te baterije najboljšo gostoto energije, visok izkoristek (približno 99 %) in dolgo življenjsko dobo.
Kaj je torej narobe? Ker obnovljiva energija, ki jo zajamemo, še naprej narašča, energijska gostota litij-ionskih baterij ni več zadostna.
Ker lahko še naprej proizvajamo baterije v serijah, se to ne zdi velika stvar, težava pa je v tem, da je litij relativno redka kovina, zato njegovi stroški niso nizki. Čeprav stroški proizvodnje baterij padajo, se hitro povečuje tudi potreba po shranjevanju energije.
Dosegli smo točko, ko bo litij-ionska baterija, ko bo izdelana, imela ogromen vpliv na energetsko industrijo.
Večja energijska gostota fosilnih goriv je dejstvo in to je ogromen vplivni dejavnik, ki ovira prehod na popolno odvisnost od obnovljivih virov energije. Potrebujemo baterije, ki oddajajo več energije, kot je naša teža.
Kako delujejo litij-ionske baterije
Mehanizem delovanja litijevih baterij je podoben običajnim kemičnim baterijam AA ali AAA. Imajo anodni in katodni terminal ter elektrolit vmes. Za razliko od običajnih baterij je reakcija praznjenja v litij-ionski bateriji reverzibilna, zato je baterijo mogoče večkrat polniti.
Katoda (+ pol) je izdelana iz litijevega železovega fosfata, anoda (- pol) je izdelana iz grafita, grafit pa iz ogljika. Elektrika je le tok elektronov. Te baterije proizvajajo elektriko s premikanjem litijevih ionov med anodo in katodo.
Ko se napolnijo, se ioni premaknejo proti anodi, ko se razelektrijo, pa proti katodi.
To gibanje ionov povzroča gibanje elektronov v vezju, zato sta gibanje litijevih ionov in gibanje elektronov povezana.
Silikonska anodna baterija
Številna velika avtomobilska podjetja, kot je BMW, vlagajo v razvoj silicijevih anodnih baterij. Tako kot običajne litij-ionske baterije tudi te uporabljajo litijeve anode, vendar namesto anod na osnovi ogljika uporabljajo silicijeve.
Kot anoda je silicij boljši od grafita, ker za vezavo litija potrebuje 4 atome ogljika, 1 atom silicija pa lahko veže 4 litijeve ione. To je velika nadgradnja ... zaradi česar je silicij trikrat močnejši od grafita.
Kljub temu je uporaba litija še vedno dvorezen meč. Ta material je še vedno drag, vendar je tudi lažje prenesti proizvodne obrate na silicijeve celice. Če bodo baterije popolnoma drugačne, bo treba tovarno popolnoma preoblikovati, kar bo nekoliko zmanjšalo privlačnost prehoda.
Silicijeve anode se izdelujejo z obdelavo peska za proizvodnjo čistega silicija, vendar je največja težava, s katero se trenutno soočajo raziskovalci, da silicijeve anode med uporabo nabreknejo. To lahko povzroči prehitro razgradnjo baterije. Prav tako je težko množično proizvajati anode.
Grafenska baterija
Grafen je vrsta ogljikovih lusk, ki se izdeluje iz istega materiala kot svinčnik, vendar je za pritrditev grafita na luske potrebno veliko časa. Grafen je hvaljen zaradi odlične učinkovitosti v številnih primerih uporabe, med katerimi so tudi baterije.
Nekatera podjetja delajo na grafenskih baterijah, ki jih je mogoče popolnoma napolniti v nekaj minutah in izprazniti 33-krat hitreje kot litij-ionske baterije. To je zelo koristno za električna vozila.
Penasta baterija
Trenutno so tradicionalne baterije dvodimenzionalne. Zložene so kot litijeve baterije ali zvite kot tipične AA ali litij-ionske baterije.
Penasta baterija je nov koncept, ki vključuje gibanje električnega naboja v 3D prostoru.
Ta tridimenzionalna struktura lahko pospeši čas polnjenja in poveča gostoto energije, kar sta izjemno pomembni lastnosti baterije. V primerjavi z večino drugih baterij penaste baterije nimajo škodljivih tekočih elektrolitov.
Penaste baterije uporabljajo trdne elektrolite namesto tekočih. Ta elektrolit ne le prevaja litijeve ione, ampak tudi izolira druge elektronske naprave.
Anoda, ki zadržuje negativni naboj baterije, je izdelana iz penjenega bakra in prevlečena z zahtevanim aktivnim materialom.
Nato se okoli anode nanese trdni elektrolit.
Nazadnje se za zapolnitev vrzeli v bateriji uporabi tako imenovana "pozitivna pasta".
Baterija iz aluminijevega oksida
Te baterije imajo eno največjih gostot energije med vsemi baterijami. Njihova energija je močnejša in lažja od trenutnih litij-ionskih baterij. Nekateri trdijo, da lahko te baterije zagotovijo 2000 kilometrov električnih vozil. Kaj je ta koncept? Za referenco, največji doseg Tesle je približno 600 kilometrov.
Težava teh baterij je, da jih ni mogoče polniti. Proizvajajo aluminijev hidroksid in sproščajo energijo z reakcijo aluminija in kisika v elektrolitu na vodni osnovi. Uporaba baterij porablja aluminij kot anodo.
Natrijeva baterija
Trenutno japonski znanstveniki delajo na izdelavi baterij, ki bi namesto litija uporabljale natrij.
To bi bilo prelomno, saj so natrijeve baterije teoretično 7-krat učinkovitejše od litijevih baterij. Druga velika prednost je, da je natrij šesti najbogatejši element v zemeljskih rezervah v primerjavi z litijem, ki je redek element.
Čas objave: 2. dec. 2019