Redaktörens anmärkning: Elteknik är framtiden för den gröna jorden, och batteriteknik är grunden för elteknik och nyckeln till att begränsa storskalig utveckling av elteknik. Den nuvarande vanliga batteritekniken är litiumjonbatterier, som har god energitäthet och hög effektivitet. Litium är dock ett sällsynt grundämne med hög kostnad och begränsade resurser. Samtidigt, i takt med att användningen av förnybara energikällor ökar, är energitätheten hos litiumjonbatterier inte längre tillräcklig. Hur ska man reagera? Mayank Jain har utvärderat några batteritekniker som kan användas i framtiden. Den ursprungliga artikeln publicerades på medium med titeln: Batteriteknikens framtid
Jorden är full av energi, och vi gör allt vi kan för att fånga och utnyttja den energin på ett bra sätt. Även om vi har gjort ett bättre jobb med övergången till förnybar energi har vi inte gjort några större framsteg när det gäller att lagra energi.
För närvarande är litiumjonbatterier den högsta standarden inom batteriteknik. Detta batteri verkar ha den bästa energitätheten, hög effektivitet (cirka 99 %) och lång livslängd.
Så vad är det som är fel? I takt med att den förnybara energi vi tillvaratar fortsätter att öka, är energitätheten hos litiumjonbatterier inte längre tillräcklig.
Eftersom vi kan fortsätta producera batterier i omgångar verkar det inte vara någon stor sak, men problemet är att litium är en relativt sällsynt metall, så dess kostnad är inte låg. Även om batteriproduktionskostnaderna faller ökar också behovet av energilagring snabbt.
Vi har nått en punkt där litiumjonbatteriet, när det väl tillverkas, kommer att ha en enorm inverkan på energiindustrin.
Den högre energitätheten hos fossila bränslen är ett faktum, och detta är en enorm påverkande faktor som hindrar övergången till ett totalt beroende av förnybar energi. Vi behöver batterier som avger mer energi än vår vikt.
Hur litiumjonbatterier fungerar
Litiumjonbatteriers funktionsmekanism liknar vanliga AA- eller AAA-kemiska batterier. De har anod- och katodterminaler och en elektrolyt däremellan. Till skillnad från vanliga batterier är urladdningsreaktionen i ett litiumjonbatteri reversibel, så batteriet kan laddas upprepade gånger.
Katoden (+ terminalen) är gjord av litiumjärnfosfat, anoden (- terminalen) är gjord av grafit och grafit är gjord av kol. Elektricitet är helt enkelt flödet av elektroner. Dessa batterier genererar elektricitet genom att flytta litiumjoner mellan anoden och katoden.
När de laddas rör sig jonerna till anoden, och när de urladdas rör sig jonerna till katoden.
Denna jonrörelse orsakar elektronernas rörelse i kretsen, så litiumjonernas rörelse och elektronernas rörelse är relaterade.
Kiselanodbatteri
Många stora bilföretag som BMW har investerat i utvecklingen av kiselanodbatterier. Precis som vanliga litiumjonbatterier använder dessa batterier litiumanoder, men istället för kolbaserade anoder använder de kisel.
Som anod är kisel bättre än grafit eftersom det kräver 4 kolatomer för att hålla litium, och 1 kiselatom kan hålla 4 litiumjoner. Detta är en stor uppgradering ... vilket gör kisel 3 gånger starkare än grafit.
Användningen av litium är dock fortfarande ett tveeggat svärd. Materialet är fortfarande dyrt, men det är också lättare att överföra produktionsanläggningar till kiselceller. Om batterierna är helt annorlunda måste fabriken omkonstrueras helt, vilket kommer att minska attraktiviteten för att byta något.
Kiselanoder tillverkas genom att behandla sand för att producera ren kisel, men det största problemet som forskare står inför för närvarande är att kiselanoder sväller när de används. Detta kan göra att batteriet bryts ner för snabbt. Det är också svårt att massproducera anoder.
Grafenbatteri
Grafen är en typ av kolflingor som använder samma material som en penna, men det kostar mycket tid att fästa grafit på flingorna. Grafen hyllas för sin utmärkta prestanda i många användningsområden, och batterier är ett av dem.
Vissa företag arbetar med grafenbatterier som kan laddas fullt på några minuter och urladdas 33 gånger snabbare än litiumjonbatterier. Detta är av stort värde för elfordon.
Skumbatteri
För närvarande är traditionella batterier tvådimensionella. De är antingen staplade som ett litiumbatteri eller rullade ihop som ett typiskt AA- eller litiumjonbatteri.
Skumbatteriet är ett nytt koncept som involverar förflyttning av elektrisk laddning i 3D-rymden.
Denna tredimensionella struktur kan påskynda laddningstiden och öka energitätheten, vilket är extremt viktiga egenskaper hos batteriet. Jämfört med de flesta andra batterier har skumbatterier inga skadliga flytande elektrolyter.
Skumbatterier använder fasta elektrolyter istället för flytande elektrolyter. Denna elektrolyt leder inte bara litiumjoner, utan isolerar även andra elektroniska enheter.
Anoden som håller batteriets negativa laddning är tillverkad av skumkoppar och belagd med det aktiva materialet som behövs.
En fast elektrolyt appliceras sedan runt anoden.
Slutligen används en så kallad "positiv pasta" för att fylla luckorna inuti batteriet.
Aluminiumoxidbatteri
Dessa batterier har en av de största energitätheterna av alla batterier. Dess energi är kraftfullare och lättare än nuvarande litiumjonbatterier. Vissa hävdar att dessa batterier kan ge 2 000 kilometer körning i elfordon. Vad är detta koncept? Som referens är Teslas maximala räckvidd cirka 600 kilometer.
Problemet med dessa batterier är att de inte kan laddas. De producerar aluminiumhydroxid och frigör energi genom reaktionen mellan aluminium och syre i en vattenbaserad elektrolyt. Användningen av batterier förbrukar aluminium som anod.
Natriumbatteri
För närvarande arbetar japanska forskare med att tillverka batterier som använder natrium istället för litium.
Detta skulle vara omvälvande, eftersom natriumbatterier teoretiskt sett är 7 gånger effektivare än litiumbatterier. En annan stor fördel är att natrium är det sjätte rikaste grundämnet i jordens reserver, jämfört med litium, vilket är ett sällsynt grundämne.
Publiceringstid: 2 december 2019