Свет чека на пробој батерије. Скоро сваки сектор електроничке индустрије, све што ради на батерији, ограничен је излазном снагом и енергетским веком батерија које их покрећу.
Сличан садржај
- Зашто је сол највреднија имовина ове електране
- Никада не бисте морали да прикључите овај мобилни телефон без батерије
„Напредак или напредовање батерија је много спорије него на другим пољима и ово је интринзично ограничење батерија“, каже Стефано Пассерини, главни уредник часописа „Извори напајања“ . „Не можете очекивати да ће батерија која може да испоручује енергију мобилном телефону недељу или месец дана. На самом крају, максимална количина енергије коју можете да похраните у батерију је фиксирана расположивим елементима. “
Али напредак има. Истраживачи раде на побољшању густине енергије (сок по тежини и запремини), цене, сигурности, утицаја на животну средину, па чак и животног века најпопуларније класе, литијум-јонских батерија, као и дизајнирању потпуно нових типова.
Већина батерија се може наћи у три главне индустрије: потрошачка електроника, аутомобилска индустрија и складиштење мрежа.
„Назвао бих их три велике канте где се људи пресијецају са батеријама“, каже Венкат Сринивасан, замјеник директора за истраживање и развој при Заједничком центру за истраживање складишта енергије у Одјелу за енергију. Свака кашика има различите захтеве, па се употребљене батерије могу (понекад) веома разликовати једна од друге. Том телефону у џепу потребна је компактна и сигурна батерија, али тежина и трошкови су мање важни. Смањите количину аутомобилских батерија, а уз толико батерија, трошкови и тежина постају важни, као и животни вијек циклуса (били бисте јако луди ако овом новом Тесли буду потребне нове батерије на сваких пар година). Повећајте још више, а батерије које почињу да се користе за складиштење напајања кућа и мреже имају врло мале захтеве за тежином или величином.
Десетљећима се потрошачка електроника - ваш телефон, рачунар, камера, таблет, дронови, чак и сат - користила литијум-јонске батерије, захваљујући њиховом лаком пуњивању и великој густини енергије. У тим батеријама решетка графита, напуњена литијумским јонима, формира аноду. Оксид формира катоду, повезан је на супротни терминал, а два су раздвојена течним електролитом који омогућава јонима да прођу кроз њега. Када су спојени спољни терминали, литијум оксидира и јони се претакају на катоду. Пуњење је управо обрнуто. Што више литијумових јона може да се пренесе на овај начин, то је већа снага батерије. Упознали смо компактну величину и једноставност употребе, ако не и трајање батерије и сигурност. Али можда неће бити пуно простора за даља побољшања, каже Пассернини.
„Сада су литијум-јонске батерије близу границе“, каже он. „Иако смо то већ говорили пре 10 година, и побољшања у последњих 10 година била су прилично знатна.“
У случају аутомобила, батерије су коначно одговорне за животни век аутомобила и за ужасну анксиозност када су у питању електрични аутомобили. Да би решили овај проблем, инжењери и научници покушавају да повећају капацитет напона у батеријама. Али то је често повезано са неисправним хемијским реакцијама, које временом умањују капацитет. Велико истраживање посвећено је проналажењу нових материјала и хемикалија које помажу или замењују литијум-јонску решетку или друге делове батерије.
Сринивасан истиче неколико потенцијалних иновација и то не само за аутомобиле: Традиционална графитна анодна решетка може се заменити силиконом, који садржи 10 пута више литијум јона. Али силицијум се шири јер апсорбује литијум, па ће батерије морати то да ураде. Или: Уместо решетке, литијумски метал може да делује као анода - под условом да можемо да схватимо како да се заштитимо од катастрофалног прекрајања приликом пуњења. То је питање које произвођачи батерија покушавају решити од проналаска литијум-јонске батерије пре деценијама. "Добили смо велику наду да ћемо доћи у време када се можда овај проблем, стар 30 година, поново може решити", каже Сринивасан.
Можда би литијум могао потпуно да се замени. Истраживачи разматрају начине употребе натријума или магнезијума, а Заједнички центар за истраживање складиштења енергије користи рачунарско моделирање како би истражио прилагођене материјале на бази оксида који би могли да делују као катода магнезијум аноди. Магнезијум је посебно атрактиван јер његова структура омогућава да прихвати два електрона по атому, удвостручујући набој који може да држи.
Прасхант Јаин и његови сарадници на Универзитету у Илиноису раде на различитом аспекту литијумских батерија: електролиту. Електролит је течност која испуњава простор између катиона (позитивно наелектрисан ион) и аниона (негативно наелектрисан јон), омогућавајући наелектрисаним честицама да струју кроз њега. Одавно је познато да ће одређени чврсти материјали, попут бакар селенида, такође дозволити проток јона, али не довољно брзо да би покренуо уређаје са високим напоном. Јаин, доцент хемије и његови студенти, развили су суперионску чврсту супстанцу, направљену од наночестица бакар селенида, која има различита својства. Омогућује да наелектрисане честице тече брзином која је упоредива са течним електролитом.
Потенцијалне предности ове технологије су двоструке: сигурност и животни циклус. Ако се тренутна литијум-јонска батерија оштети, батерија се скраћује и загрева. Течност испарава и ништа не постоји за спречавање брзог пражњења енергије - бум. Чврста твар ће спречити то кратко и омогућиће потпуно металну аноду, која нуди већи енергетски капацитет. Поред тога, током поновљених циклуса, течни електролити почињу да растварају катоду и аноду, и то је основни разлог што се батерије на крају не успеју напунити.
„Било је свих ових инкременталних побољшања која су доиста постигла напредак. Али никада није било великог драматичног пробоја, разарајуће технологије по којој се сада може рећи, чврсти електролит заиста одговара потенцијалима у погледу транспорта јона који течни електролити [могу] “, каже Јаин. „Сада када су безбедносна питања изашла на видјело, са течним електролитима су истраживачи били попут, можда морамо смислити нешто драматично са чврстим електролитима и једном за сва времена направити онај који може заменити течни електролит.“
Јохн Гооденоугх, ко-изумитељ литијум-јонске батерије, развија батерију са стакленим електролитом. (Техничка школа Цоцкрелл, Универзитет у Тексасу у Аустину) Један од ко-изумитеља оригиналне литијум-јонске батерије користи још један корак према чврстим електролитима: Јохн Гооденоугх, професор инжењера на Универзитету у Тексасу, објавио је и поднео патентну пријаву за батерију са чашом на бази електролита Импрегнирајући чашу литијумом или натријумом, Гооденоугх је успео да омогући струји да још брже тече, спречавајући кратке спојеве и повећавајући енергетски капацитет чврстом анодом.
Сва ова истраживања ће утицати на батерије у нашим џеповима и аутомобилима. Али постоји и трећа категорија, где су утицаји глобални.
Мелание Санфорд користи алате за моделирање на другачијим типовима батерија - огромне, редокс проточне батерије које ће складиштити енергију из обновљивих електрана и пуштати је кад ветар и сунце нису доступни. Препознавање врхова и долина производње и потрошње енергије помоћи ће обиму обновљивих извора да се обезбеди више од само додатне енергије.
Јужна Калифорнија Едисон већ експериментише са батеријама аутомобила, користећи аутомобилске батерије компаније Тесла, али с обзиром да су батерије традиционалне на бази литијум јона, прескупе су за употребу на скали која ће омогућити глобалну обновљиву енергију. Поред тога, ограничења за мрежну батерију много су другачија од аутомобила. Тежина и величина нису проблем, али цена и животни век су.
У редок батерији протока, материјал за складиштење енергије се држи у течном облику у великим резервоарима, а затим се пумпа у мању ћелију, где реагује са сличним апаратом који има супротан набој. Компјутерско моделирање омогућило је лабораторију Санфорда да дизајнира органске молекуле, што је довело до хиљаду пута повећања, за мање од једног дана до месеца, у износу који ови молекули остају стабилни.
„За извор решетке су вам потребни материјали који су супер јефтини, јер говоримо о огромним батеријама“, каже Санфорд. „Говоримо о ветроелектрани, а затим о упоредивој површини магацина који држе ове батерије.“
Према Санфорду, иновације ће потицати и од науке о материјалима - развијањем нових материјала за уградњу у наше батерије - и од инжењера који ће системе изграђене око тих материјала учинити ефикаснијим. Оба ће бити потребна, али програм од истраживања до производње ће нужно бити још једно уско грло.
„Сви би требали бити свјесни да не постоји нити једна батерија која може да стане на све апликације“, каже Пассерини. „Јасно је да је чак и добити мало - 10%, 20% перформанси - велики проблем. Морамо направити истраживање на терену. Научници морају да буду подржани. "
