Svet čaka na preboj baterije. Skoraj vsak sektor elektronske industrije, vse, kar deluje na baterijo, je omejen z izhodno porabo energije in življenjsko dobo baterij, ki jih poganjajo.
Sorodne vsebine
- Zakaj je sol najvrednejša sredstva te elektrarne
- Nikoli ne bi bilo treba priključiti tega mobilnega telefona brez baterije
"Napredek ali napredek baterij je veliko počasnejši kot na drugih področjih in to je bistvena omejitev baterij, " pravi Stefano Passerini, odgovorni urednik revije Journal of Power Source . "Ne morete pričakovati, da bo baterija, ki lahko napaja energijo na mobilni telefon en teden ali mesec. Na koncu končno največjo količino energije, ki jo lahko shranite v baterijo, določite z razpoložljivimi elementi. "
Toda napredek je. Raziskovalci si prizadevajo za izboljšanje gostote energije (sok na težo in prostornino), ceno, varnost, vpliv na okolje in celo življenjsko dobo najbolj priljubljenega razreda litij-ionskih baterij ter oblikovanje povsem novih vrst.
Večino baterij najdemo v treh glavnih panogah: potrošniška elektronika, avtomobilska industrija in shranjevanje omrežja.
"Poimenoval bi jih tri velike vedre, kjer sekajo baterije z baterijami, " pravi Venkat Srinivasan, namestnik direktorja za raziskave in razvoj pri Skupnem centru za raziskovanje skladišč energije. Vsako vedro ima različne zahteve, zato se uporabljene baterije lahko (včasih) zelo razlikujejo med seboj. Ta telefon v žepu potrebuje kompaktno in varno baterijo, vendar sta teža in stroški manj pomembna. Zmanjšajte obseg avtomobilskih baterij in s toliko baterijami postaneta pomembna cena in teža, pa tudi življenjska doba cikla (zelo bi se razjezili, če bi ta novi Tesla potreboval nove baterije na vsakih nekaj let). Še bolj se povečajte in baterije, ki se začnejo uporabljati za shranjevanje energije za hiše in omrežje, imajo zelo majhne zahteve glede teže ali velikosti.
Potrošniška elektronika - vaš telefon, računalnik, kamera, tablica, brezpilotni telefoni, celo ura - deluje zaradi litij-ionskih baterij, zahvaljujoč lahkemu polnjenju in visoki gostoti energije. V teh baterijah je anoda oblikovana rešetka grafita, polnjena z litijevimi ioni. Oksid tvori katodo, povezano z nasprotnim terminalom, dva pa sta ločena s tekočim elektrolitom, ki ionom omogoča, da prehajajo skozi njo. Ko so zunanji sponki povezani, litij oksidira in ioni tečejo na katodo. Polnjenje je ravno obratno. Več litijevih ionov, ki jih lahko prenašamo na ta način, več moči ima akumulator. Cenili smo kompaktno velikost in enostavno uporabo, če ne celo življenjsko dobo baterije in varnost. Toda morda ne bo veliko prostora za nadaljnje izboljšave, pravi Passernini.
"Zdaj so litij-ionske baterije nekako blizu omejitve, " pravi. "Čeprav smo to že govorili pred približno 10 leti, so bile izboljšave v zadnjih 10 letih precej velike."
Pri avtomobilih so akumulatorji nazadnje odgovorni za življenjsko dobo avtomobila in za strašno tesnobo, ko gre za električne avtomobile. Za reševanje te težave inženirji in znanstveniki poskušajo v baterije povečati več napetostne zmogljivosti. Toda to je pogosto povezano z okvarjenimi kemijskimi reakcijami, ki sčasoma zmanjšujejo zmogljivost. Veliko raziskav je namenjenih iskanju novih materialov in kemikalij za pomoč ali zamenjavo litij-ionske rešetke ali drugih delov baterije.
Srinivasan opozarja na nekaj možnih novosti, in to ne samo za avtomobile: Tradicionalno grafitno anodno rešetko bi lahko zamenjali s silicijem, ki vsebuje 10-krat več litijevih ionov. Toda silicij se širi, saj absorbira litij, zato bodo morale to upoštevati tudi baterije. Ali pa: litijeva kovina bi lahko namesto rešetke delovala kot anoda - pod pogojem, da lahko ugotovimo, kako preprečiti, da bi se ob ponovnem polnjenju katastrofalno zmanjšalo. To je vprašanje, ki ga proizvajalci baterij poskušajo rešiti, odkar so litij-ionsko baterijo izumili pred desetletji. "Močno smo upali, da bomo v času, ko se bo morda ta težava, stara 30 let, znova spopadla, " pravi Srinivasan.
Morda bi litij lahko v celoti nadomestili. Raziskovalci iščejo načine uporabe natrija ali magnezija, Skupni center za raziskovanje skladiščenja energije pa uporablja računalniško modeliranje za raziskovanje materialov, ki temeljijo na oksidu po meri, ki bi lahko bili katoda magnezijevi anodi. Magnezij je še posebej privlačen, saj mu njegova struktura omogoča sprejem dva elektrona na atom, kar podvoji naboj, ki ga lahko zadrži.
Prashant Jain in njegovi sodelavci na univerzi v Illinoisu delajo na drugi strani litijevih baterij: elektrolitu. Elektrolit je tekočina, ki zapolni prostor med kationom (pozitivno nabit ion) in anionom (negativno nabit ion), ki omogoča, da nabito delci tečejo skozi. Že dolgo je znano, da bodo nekateri trdni materiali, kot je bakreni selenid, prav tako omogočili pretok ionov, vendar ne dovolj hitro, da bi lahko poganjali naprave z visoko močjo. Jain, docent za kemijo, in njegovi študenti so razvili superionsko trdno snov, izdelano iz nanodelcev bakrovega selenida, ki ima različne lastnosti. Omogoča, da nabito delci tečejo s hitrostjo, ki je primerljiva s tekočim elektrolitom.
Potencialne prednosti te tehnologije so dvojne: varnost in življenjski cikel. Če se trenutna litij-ionska baterija poškoduje, se baterija skrajša in segreje. Tekočina izhlapi in ničesar ni, kar bi preprečilo hitro praznjenje energije - razcvet. Trdna snov bo preprečila tako kratko in omogočila polno kovinsko anodo, ki ponuja večjo energijsko zmogljivost. Poleg tega tekoči elektroliti v večkratnih ciklih začnejo raztapljati katodo in anodo in to je glavni razlog, da se baterije sčasoma ne napolnijo.
"Obstajale so vse te postopne izboljšave, ki so dejansko dosegle nekaj napredka. Nikoli pa ni prišlo do velikega dramatičnega preboja, moteče tehnologije, kjer bi lahko rekli, trdni elektrolit se resnično ujema s potencialom na področju transporta ionov, ki tekoče elektrolite [lahko], "pravi Jain. "Zdaj ko so vprašanja varnosti pri tekočih elektrolitih v ospredju, so bili raziskovalci takšni, morda moramo pomisliti na nekaj dramatičnega s trdnimi elektroliti in enkrat za vselej narediti takšnega, ki lahko nadomesti tekoči elektrolit."
John Goodenough, soizumitelj litij-ionske baterije, razvija baterijo z elektrolitom na stekleni osnovi. (Tehniška šola Cockrell, Univerza v Teksasu v Austinu) Eden od samih izumiteljev originalne litij-ionske baterije se loteva še jedrskih elektrolitov: John Goodenough, profesor inženirja na univerzi v Teksasu, je objavil in vložil patentno prijavo za baterijo s kozarcem elektrolit na osnovi Goodenough je z impregnacijo kozarca z litijem ali natrijem omogočil, da tok teče še hitreje, hkrati pa preprečuje kratke in večje energetske zmogljivosti s trdno anodo.
Vse te raziskave bodo vplivale na baterije v žepih in avtomobilih. Toda obstaja še tretja kategorija, kjer so vplivi globalni.
Melanie Sanford uporablja orodja za modeliranje na različnih tipih baterij - ogromne, redoks akumulatorje, ki bodo hranili energijo iz obnovljivih elektrarn in jo sproščali, ko veter in sonce nista na voljo. Če se boste z vrhovi in dolinami proizvodnje in porabe energije povečali obnovljivi viri energije, boste dosegli več kot samo dodatno moč.
Južna Kalifornija Edison že eksperimentira z bankami baterij, s pomočjo Teslin avtomobilskih baterij, a ker so baterije tradicionalne na osnovi litijevih ionov, jih je predrago za uporabo v merilu, ki bo omogočilo globalno obnovljivo energijo. Poleg tega so omejitve za omrežno baterijo precej drugačne kot pri avtomobilu. Teža in velikost nista problem, ampak cena in življenjska doba sta.
V akumulatorju redoksnega toka se hranilnik energije hrani v tekoči obliki v velikih rezervoarjih, nato pa se črpa v manjšo celico, kjer reagira s podobno napravo, ki ima nasproten naboj. Računalniško modeliranje je omogočilo, da je laboratorij Sanford oblikoval organske molekule po meri, kar je vodilo do tisočkratnega povečanja od manj kot dneva do meseca, kolikor čas te molekule ostanejo stabilne.
"Pri viru z omrežnimi rešitvami potrebujete zelo poceni materiale, saj govorimo o ogromnih baterijah, " pravi Sanford. "Govorimo o vetrni elektrarni, nato pa o primerljivi površini skladišč, v katerih so te baterije."
Po Sanfordovih besedah bodo inovacije prišle tako od materialoloških materialov - razvoja novih materialov, ki jih lahko vgrajujejo v naše baterije - kot od inženirjev, ki bodo sisteme, zgrajene okoli teh materialov, naredili bolj učinkovite. Oba bosta potrebna, vendar bo program od raziskav do proizvodnje nujno še eno ozko grlo.
"Vsi bi se morali zavedati, da ni ene baterije, ki bi ustrezala vsem aplikacijam, " pravi Passerini. „Jasno je, da je celo velik rezultat - 10-odstotna, 20-odstotna uspešnost - velik problem. Na tem področju moramo opraviti raziskave. Znanstvenike je treba podpreti. "
