Примітка редактора: Електротехнології – це майбутнє зеленої землі, а технологія акумуляторів – це основа електротехнологій та ключ до обмеження масштабного розвитку електротехнологій. Сучасною основною технологією акумуляторів є літій-іонні акумулятори, які мають хорошу щільність енергії та високу ефективність. Однак літій – це рідкісний елемент з високою вартістю та обмеженими ресурсами. Водночас, зі зростанням використання відновлюваних джерел енергії, щільність енергії літій-іонних акумуляторів більше не є достатньою. Як реагувати? Маянк Джайн підбив підсумки деяких технологій акумуляторів, які можуть бути використані в майбутньому. Оригінальна стаття була опублікована на Medium під назвою: Майбутнє технології акумуляторів.
Земля сповнена енергії, і ми робимо все можливе, щоб уловлювати та ефективно використовувати цю енергію. Хоча ми й краще спрацювали в переході на відновлювану енергію, ми не досягли значного прогресу в її накопиченні.
Наразі найвищим стандартом технології акумуляторів є літій-іонні акумулятори. Ці акумулятори, здається, мають найкращу щільність енергії, високий ККД (близько 99%) та тривалий термін служби.
То що ж не так? Оскільки обсяги відновлюваної енергії, яку ми отримуємо, продовжують зростати, щільність енергії літій-іонних акумуляторів більше не є достатньою.
Оскільки ми можемо продовжувати виробляти акумулятори партіями, це не здається великою проблемою, але проблема полягає в тому, що літій — відносно рідкісний метал, тому його вартість не низька. Хоча витрати на виробництво акумуляторів падають, потреба в накопиченні енергії також швидко зростає.
Ми досягли точки, коли після виробництва літій-іонних акумуляторів вони матимуть величезний вплив на енергетичну галузь.
Вища енергетична щільність викопного палива є фактом, і це величезний фактор впливу, який перешкоджає переходу до повної залежності від відновлюваної енергії. Нам потрібні батареї, які випромінюють більше енергії, ніж наша вага.
Як працюють літій-іонні акумулятори
Механізм роботи літієвих батарей подібний до звичайних хімічних батарейок типу AA або AAA. Вони мають анодний та катодний виводи, а також електроліт між ними. На відміну від звичайних батарейок, реакція розряду в літій-іонній батареї є оборотною, тому батарею можна багаторазово заряджати.
Катод (+ клема) виготовлений з фосфату літію заліза, анод (- клема) – з графіту, а графіт – з вуглецю. Електрика – це просто потік електронів. Ці батареї генерують електрику, переміщуючи іони літію між анодом і катодом.
Під час заряджання іони рухаються до анода, а під час розряджання – до катода.
Цей рух іонів викликає рух електронів у колі, тому рух іонів літію та рух електронів пов'язані між собою.
Кремнієва анодна батарея
Багато великих автомобільних компаній, таких як BMW, інвестують у розробку кремнієвих анодних акумуляторів. Як і звичайні літій-іонні акумулятори, ці акумулятори використовують літієві аноди, але замість вуглецевих анодів вони використовують кремній.
Як анод, кремній кращий за графіт, оскільки для утримання літію потрібно 4 атоми вуглецю, а 1 атом кремнію може утримувати 4 іони літію. Це суттєве покращення… що робить кремній утричі міцнішим за графіт.
Тим не менш, використання літію все ще є палицею з двома кінцями. Цей матеріал все ще дорогий, але перенести виробництво на кремнієві елементи також легше. Якщо акумулятори будуть зовсім іншими, то доведеться повністю перепроектувати завод, що дещо знизить привабливість переходу.
Кремнієві аноди виготовляються шляхом обробки піску для отримання чистого кремнію, але найбільшою проблемою, з якою стикаються дослідники наразі, є те, що кремнієві аноди набухають під час використання. Це може призвести до занадто швидкої деградації акумулятора. Також важко масово виробляти аноди.
Графенова батарея
Графен – це тип вуглецевих пластівців, для виготовлення яких використовується той самий матеріал, що й для олівця, але для прикріплення графіту до пластівців потрібно багато часу. Графен цінується за його чудові характеристики в багатьох випадках використання, і батареї є одним із них.
Деякі компанії працюють над графеновими батареями, які можна повністю зарядити за лічені хвилини та розрядити у 33 рази швидше, ніж літій-іонні батареї. Це має велике значення для електромобілів.
Пінопластовий акумулятор
Наразі традиційні батареї є двовимірними. Вони або складаються один на одного, як літієві батареї, або згортаються, як типові батареї типу АА або літій-іонні батареї.
Пінопластова батарея — це нова концепція, яка передбачає рух електричного заряду в тривимірному просторі.
Ця тривимірна структура може пришвидшити час заряджання та збільшити щільність енергії, що є надзвичайно важливими якостями акумулятора. Порівняно з більшістю інших акумуляторів, пінопластові акумулятори не містять шкідливих рідких електролітів.
Пінопластові акумулятори використовують тверді електроліти замість рідких. Цей електроліт не тільки проводить іони літію, але й ізолює інші електронні пристрої.
Анод, який утримує негативний заряд батареї, виготовлений зі спіненої міді та покритий необхідним активним матеріалом.
Потім навколо анода наносять твердий електроліт.
Нарешті, для заповнення проміжків всередині акумулятора використовується так звана «позитивна паста».
Акумулятор з оксиду алюмінію
Ці акумулятори мають одну з найбільших щільностей енергії серед усіх акумуляторів. Вони потужніші та легші, ніж сучасні літій-іонні акумулятори. Деякі люди стверджують, що ці акумулятори можуть забезпечити 2000 кілометрів ходу електромобілів. Що це за концепція? Для довідки, максимальний запас ходу Tesla становить близько 600 кілометрів.
Проблема з цими батареями полягає в тому, що їх неможливо зарядити. Вони виробляють гідроксид алюмінію та вивільняють енергію в результаті реакції алюмінію та кисню в електроліті на водній основі. Використання батарей споживає алюміній як анод.
Натрієвий акумулятор
Наразі японські вчені працюють над створенням акумуляторів, які використовують натрій замість літію.
Це було б революційним, оскільки натрієві батареї теоретично в 7 разів ефективніші за літієві. Ще однією величезною перевагою є те, що натрій є шостим найбагатшим елементом у запасах Землі, порівняно з літієм, який є рідкісним елементом.
Час публікації: 02 грудня 2019 р.