A világ az akkumulátor áttörésén vár. Az elektronikai ipar szinte minden szektora, mindaz, ami egy akkumulátorral működik, korlátozódik az akkumulátort használó akkumulátorok teljesítményét és élettartamát.
kapcsolodo tartalom
- Miért a só az erőmű legértékesebb eszköze?
- Soha nem kellene csatlakoznia az akkumulátor nélküli mobiltelefonhoz
„Az akkumulátorok haladása vagy haladása sokkal lassabb, mint más területeken, és ez lényeges korlátozás az akkumulátorokra” - mondta Stefano Passerini, a Journal of Power Sources főszerkesztője. „Nem várhat el egy olyan akkumulátort, amely egy hétre vagy egy hónapra energiát szolgáltat a mobiltelefonhoz. A végén az akkumulátorban tárolható maximális energiamennyiséget a rendelkezésre álló elemek rögzítik. ”
De van haladás. A kutatók azon munkálkodnak, hogy javítsák az energia sűrűségét (gyümölcslé tömeg és térfogat), az árat, a biztonságot, a környezeti hatásokat és még a legnépszerűbb osztályú lítium-ion akkumulátorok élettartamát, valamint teljesen új típusokat tervezzenek.
A legtöbb elem három fő iparágban található: fogyasztói elektronika, autóipar és rácstárolás.
"Három nagy vödörnek nevezem őket, ahol az emberek keresztezik az akkumulátort" - mondja Venkat Srinivasan, az Energiaügyi Minisztérium Energiatároló Kutató Központjának kutatási és fejlesztési igazgatóhelyettese. Minden vödörnek eltérő követelményei vannak, és így a használt akkumulátorok (néha) nagyon különbözhetnek egymástól. A zsebében lévő telefonnak kompakt és biztonságos akkumulátorra van szüksége, de a súlya és a költsége kevésbé fontos. Skálázza az autóelemekre, és oly sok akkumulátorral a költség és a súly, valamint a ciklus élettartama fontos (nagyon dühös lennél, ha az új Tesla néhány évente új akkumulátorokat igényelne). Méretezze még tovább, és azokra az elemekre, amelyeket a házak és a rács energiájának tárolására használnak, nagyon kevés a súly vagy a méret.
Évtizedek óta a fogyasztói elektronika - a telefon, a számítógép, a kamera, a tabletta, a drónok, akár az órája is - lítium-ion akkumulátorokkal működik, köszönhetően az egyszerű újratölthetőségnek és a nagy energia sűrűségnek. Ezekben az elemekben egy grafitrács, lítium-ionokkal töltve, alkotja az anódot. A katódot egy oxid képezi, amely az ellenkező terminálhoz kapcsolódik, és a kettőt elválasztják egy folyékony elektrolit, amely lehetővé teszi az ionok átjutását rajta. A külső csatlakozók csatlakoztatásakor a lítium oxidálódik, és az ionok a katódhoz folynak. A töltés éppen fordítva. Minél több lítiumiont lehet ilyen módon átvinni, annál több energiát képes tartani az akkumulátor. Nagyra értékeljük a kompakt méretet és a könnyű használatot, ha nem az akkumulátor élettartama és a biztonság. De valószínűleg nincs még sok további fejlesztési lehetőség - mondja Passernini.
"Most a lítium-ion akkumulátorok már közel állnak a határértékhez" - mondja. "Bár ezt már körülbelül 10 évvel ezelőtt mondtuk, és az elmúlt 10 évben a fejlesztések meglehetősen jelentős voltak."
Autók esetében az akkumulátorok végső soron az autó élettartama és az elektromos autók félelmetes távolságtartási felelősségéért felelősek. A probléma megoldása érdekében a mérnökök és a tudósok megpróbálnak több feszültségkapacitást becserélni az akkumulátorokba. De ez gyakran hibás kémiai reakciókhoz kapcsolódik, amelyek idővel csökkentik a kapacitást. Nagyon sok kutatás folyik új anyagok és vegyszerek megtalálására a lítium-ion rács vagy az elem más részeinek megkönnyítésére vagy cseréjére.
Srinivasan rámutat néhány lehetséges újításra, amelyek nemcsak az autókra vonatkoznak: A hagyományos grafit anódrács helyettesíthető szilíciummal, amely tízszer annyi lítium-iont tartalmaz. A szilícium azonban hajlamos a tágulásra, mivel abszorbeálja a lítiumot, így az akkumulátoroknak ezt figyelembe kell venniük. Vagy: A rács helyett a lítium-fém működhetne anódként - feltéve, hogy kitaláljuk, hogyan lehet megakadályozni, hogy újból feltöltődjön a katasztrofális rövidzárlatától. Ezt a kérdést az akkumulátorgyártók megpróbálták megoldani, mivel a lítium-ion akkumulátort évtizedekkel ezelőtt találták ki. "Nagyon reméljük, hogy olyan időben vagyunk, amikor talán újra meg lehet oldani ezt a 30 éves problémát" - mondja Srinivasan.
Lehet, hogy a lítium teljesen helyettesíthető. A kutatók a nátrium vagy a magnézium helyett történő alkalmazásának lehetőségeit vizsgálják, míg az Energiatárolási Kutatási Központ számítógépes modellezéssel vizsgálja az egyedi tervezésű, oxid-alapú anyagokat, amelyek a magnézium-anód katódjává válhatnak. A magnézium különösen vonzó, mivel szerkezete lehetővé teszi atomonként két elektron elfogadását, megduplázva a megtartható töltést.
Prashant Jain és munkatársai az Illinoisi Egyetemen a lítium akkumulátorok más aspektusán dolgoznak: az elektroliton. Az elektrolit az a folyadék, amely kitölti a teret a kation (pozitív töltésű ion) és az anion (negatív töltésű ion) között, lehetővé téve a töltött részecskék átfolyását. Régóta ismert, hogy bizonyos szilárd anyagok, mint például a réz-szelenid, szintén lehetővé teszik az ionok áramlását, de nem elég gyorsan ahhoz, hogy nagy teljesítményű eszközöket működtessenek. Jain, a kémia professzora professzora és hallgatói különféle tulajdonságokkal rendelkező szupersionos szilárd anyagot dolgoztak ki réz-szelenid nanorészecskéiből. Ez lehetővé teszi a töltött részecskéknek a folyékony elektrolithoz hasonló sebességű áramlását.
Ennek a technológiának a lehetséges előnyei kettős: a biztonság és az életciklus. Ha egy aktuális lítium-ion akkumulátor megsérül, akkor az akkumulátor lerövidül és felmelegszik. A folyadék elpárolog, és nincs semmi akadálya az energia gyors kiürülésének - a gémnek. Egy szilárd anyag megakadályozza ezt a rövidzárlatot, és lehetővé teszi egy teljes fém anódot, amely nagyobb energiakapacitást kínál. Ezenkívül ismételt ciklusok során a folyékony elektrolitok feloldják a katódot és az anódot, és ez az elsődleges oka annak, hogy az akkumulátorok végül nem töltődnek fel.
„Mindezek a fokozatos fejlesztések voltak, amelyek valóban előrelépést jelentettek. De soha nem történt nagy drámai áttörés, zavaró technológia, ahol most elmondhatjuk, hogy a szilárd elektrolit valóban megfelel az ionok szállításában rejlő potenciálnak, amelyet a folyékony elektrolitok képesek ”- mondja Jain. "Most, hogy a folyékony elektrolitokkal kapcsolatos biztonsági kérdések előtérbe kerülnek, a kutatók hasonlóak lehetnek: talán gondolnunk kell valami drámai anyagot a szilárd elektrolitokkal, és egyszer és mindenkorra el kell készítenünk egy, amely helyettesítheti a folyékony elektrolitot."
John Goodenough, a lítium-ion akkumulátor feltalálója akkumulátort fejleszt egy üveg alapú elektrolit segítségével. (Cockrell Műszaki Iskola, Texasi Egyetem, Austin) Az eredeti lítium-ion akkumulátor egyik feltalálója újabb lépést tart a szilárdtest elektrolitokkal szemben: John Goodenough, a texasi egyetem mérnöki professzora, professzor közzétette és szabadalmi bejelentést nyújtott be egy üveges akkumulátor számára. alapú elektrolit. Az üveg lítiummal vagy nátriummal történő impregnálásával a Goodenough még ennél is gyorsabbá tette az áram áramlását, miközben megakadályozta a rövidzárlatot és szilárd anóddal növelte az energiakapacitást.
Mindezek a kutatások hatással lesznek a zsebünkben és az autóban levő akkumulátorokra. De van egy harmadik kategória, ahol a hatások globálisak.
Melanie Sanford modellező eszközöket használ különféle típusú akkumulátorokon - hatalmas, redox áramú akkumulátorok, amelyek tárolják a megújuló erőművek energiáját és felszabadítják azt, ha a szél és a nap nem áll rendelkezésre. Az energiatermelés és -fogyasztás csúcsainak és völgyeinek kiegyenlítése elősegíti a megújuló energiaforrások méretarányát, és nem csupán kiegészítő energiaellátást nyújt.
A dél-kaliforniai Edison már kísérletezik az akkumulátor-bankokkal, a Tesla autós akkumulátorokkal, de mivel az akkumulátorok hagyományos lítium-ion-alapúak, túlságosan drágák ahhoz, hogy olyan méretarányban használják, amely megengedi a globális megújuló energiát. Ezenkívül a hálózati akkumulátor korlátozásai sokkal különböznek, mint egy autó. A súly és a méret nem kérdés, ám az ár és az élettartam megvan.
A redox áramlású akkumulátorban az energiatároló anyagot folyékony formában tartják nagy tartályokban, majd egy kisebb cellába pumpálják, ahol egy hasonló berendezéssel reagál, amelynek ellenkező töltése van. A számítógépes modellezés lehetővé tette a Sanford laboratóriumának, hogy testreszabja a szerves molekulákat, ezáltal ezredszeres növekedést eredményez, kevesebb, mint egy naptól hónapig, amíg ezek a molekulák stabilak maradnak.
"A rácsos méretű forráshoz az az anyag, amelyre rendkívül olcsó anyagok szükségesek, mert hatalmas akkumulátorokról van szó" - mondja Sanford. "Egy szélerőműről és egy hasonló raktárról beszélünk, ahol ezeket az elemeket tárolják."
Sanford szerint az innovációk mind az anyagtudománytól származnak - új anyagok kidolgozása az akkumulátorok behelyezéséhez -, mind pedig a mérnököktől, akik hatékonysá teszik az ezen anyagok köré épített rendszereket. Mindkettőre szükség lesz, de a kutatástól a termelésig tartó csővezeték szükségszerűen újabb szűk keresztmetszet lesz.
"Mindenkinek tisztában kell lennie azzal, hogy egyetlen akkumulátor sem alkalmas minden alkalmazásra." - mondja Passerini. „Nyilvánvaló, hogy még egy kis teljesítmény elérése is - 10%, 20% teljesítmény - nagy kérdés. Kutatást kell végeznünk a területen. A tudósokat támogatni kell. ”
