Svijet čeka na prodor baterije. Gotovo svaki sektor elektroničke industrije, sve što radi na bateriji, ograničen je snagom snage i vijekom trajanja baterija koje ih pokreću.
Povezani sadržaj
- Zašto je sol najcjenjenija imovina ove elektrane
- Nikada ne biste trebali priključiti ovaj mobilni telefon bez baterije
"Napredovanje ili napredovanje baterija je mnogo sporije nego na drugim poljima i to je unutarnje ograničenje baterija", kaže Stefano Passerini, glavni urednik časopisa "Izvori napajanja" . "Ne možete očekivati bateriju koja može isporučiti energiju na mobitel tjedan ili mjesec dana. Na samom kraju, raspoloživi elementi fiksiraju maksimalnu količinu energije koju možete pohraniti u bateriju. "
Ali ima napretka. Istraživači rade na poboljšanju gustoće energije (sok po težini i volumenu), cijene, sigurnosti, utjecaja na okoliš, pa čak i vijeka trajanja najpopularnije litij-ionske baterije, kao i dizajniranju novih novih vrsta.
Većina baterija nalazi se u tri glavne industrije: potrošačka elektronika, automobilska industrija i skladištenje na mreži.
"Nazvao bih ih tri velike kante mjesta na kojima se ljudi presijecaju s baterijama", kaže Venkat Srinivasan, zamjenik direktora za istraživanje i razvoj pri Zajedničkom centru za istraživanje skladištenja energije u Odjelu za energetiku. Svaka kanta ima različite zahtjeve, pa se tako korištene baterije mogu (ponekad) jako razlikovati jedna od druge. Tom telefonu u džepu potrebna je kompaktna i sigurna baterija, ali težina i troškovi su manje važni. Smanjite količinu automobilskih baterija, a uz toliko baterija, troškovi i težina postaju važni, kao i vijek trajanja ciklusa (bili biste jako ludi ako ovom novom Tesli budu potrebne nove baterije svaka nekoliko godina). Povećajte još više, a baterije koje se počinju koristiti za pohranjivanje energije za kuće i mreže imaju vrlo male zahtjeve za težinom ili veličinom.
Desetljećima se potrošačka elektronika - vaš telefon, računalo, kamera, tablet, dronovi, čak i sat - koristila litij-ionske baterije zahvaljujući jednostavnom punjenju i visokoj gustoći energije. U tim baterijama rešetka grafita, napunjena litijevim ionima, tvori anodu. Oksid tvori katodu, spojen na suprotni terminal, a dva su razdvojena tekućim elektrolitom koji omogućava ionima da prođu kroz njega. Kada su spojeni vanjski terminali, litij oksidira i ioni struje prema katodi. Punjenje je upravo obrnuto. Što se više litijevih iona može prenijeti na ovaj način, to je veća snaga baterije. Upoznali smo kompaktnu veličinu i jednostavnost upotrebe, ako ne i trajanje baterije i sigurnost. Ali možda nema puno prostora za daljnja poboljšanja, kaže Passernini.
"Sada su litij-ionske baterije nekako blizu granice", kaže on. "Iako smo to već govorili prije 10 godina, i poboljšanja u posljednjih 10 godina bila su prilično znatna."
U slučaju automobila, baterije su konačno odgovorne za životni vijek automobila i za užasnu anksioznost kada su u pitanju električni automobili. Kako bi riješili ovaj problem, inženjeri i znanstvenici pokušavaju povećati napon u baterijama. Ali to je često povezano s neispravnim kemijskim reakcijama, koje vremenom umanjuju kapacitet. Veliko istraživanje posvećeno je pronalaženju novih materijala i kemikalija koje pomažu ili zamjenjuju litij-ionsku rešetku ili druge dijelove baterije.
Srinivasan ističe nekoliko potencijalnih inovacija i to ne samo za automobile: Tradicionalna grafitna anodna rešetka mogla bi se zamijeniti silikonom, koji sadrži 10 puta više litijevih iona. Ali silicij se povećava jer apsorbira litij, pa će baterije morati to računati. Ili: Umjesto rešetke, litij-metal mogao bi djelovati kao anoda - pod uvjetom da možemo shvatiti kako ga zaštititi od katastrofalnog izostanka pri punjenju. To je problem koji proizvođači baterija pokušavaju riješiti otkad je litij-ionska baterija izumljena prije desetljeća. "Dobili smo veliku nadu da ćemo doći u vrijeme kada se možda ovaj problem u dobi od 30 godina može ponovo riješiti", kaže Srinivasan.
Možda bi se litij mogao u potpunosti zamijeniti. Istraživači proučavaju načine upotrebe natrija ili magnezija umjesto toga, a Zajednički centar za istraživanje skladištenja energije koristi računalno modeliranje kako bi istražio prilagođene materijale na bazi oksida koji bi mogli poslužiti kao katoda magnezijevoj anodi. Magnezij je posebno atraktivan jer mu njegova struktura omogućuje prihvaćanje dva elektrona po atomu, udvostručujući naboj koji može držati.
Prashant Jain i njegovi suradnici na Sveučilištu u Illinoisu rade na različitim aspektima litijumskih baterija: elektrolitu. Elektrolit je tekućina koja ispunjava prostor između kationa (pozitivno nabijeni ion) i aniona (negativno nabijeni ion), omogućavajući napunjenim česticama da protječu kroz njega. Odavno je poznato da će i neki čvrsti materijali, poput bakrenog selenida, također dozvoliti protok jona, ali ne dovoljno brzo da pokreću uređaje sa visokim naponom. Jain, docent kemije i njegovi studenti razvili su superionsku krutinu, napravljenu od nanočestica bakar selenida, koja ima različita svojstva. Omogućuje protoku nabijenih čestica brzinom usporedivom s tekućim elektrolitom.
Potencijalne prednosti ove tehnologije su dvostruke: sigurnost i životni ciklus. Ako se trenutna litij-ionska baterija ošteti, baterija se kratko spoji i zagrijava. Tekućina isparava i nema ništa što bi spriječilo brzo pražnjenje energije - porast. Čvrsta tvar će spriječiti to kratko i omogućiti će se potpuno metalna anoda, koja nudi veći energetski kapacitet. Uz to, tijekom ponovljenih ciklusa, tekući elektroliti počinju otapati katodu i anodu, a to je osnovni razlog što se baterije na kraju ne napune.
"Bilo je svih tih inkrementalnih poboljšanja koja su doista postigla napredak. Ali nikad nije došlo do velikog dramatičnog proboja, razarajuće tehnologije gdje se sada može reći, čvrsti elektrolit stvarno odgovara potencijalu u smislu transporta jona koji tekući elektroliti mogu [kaže], kaže Jain. "Sada kada su sigurnosna pitanja na prvom mjestu, s tekućim elektrolitima, poput istraživača, možda trebamo smisliti nešto dramatično s čvrstim elektrolitima i jednom za svagda napraviti onaj koji može zamijeniti tekući elektrolit."
John Goodenough, ko-izumitelj litij-ionske baterije, razvija bateriju sa staklenim elektrolitom. (Tehnička škola Cockrell, Sveučilište u Teksasu u Austinu) Jedan od ko-izumitelja originalne litij-ionske baterije poduzima još jedan korak prema elektrolitima čvrstog stanja: John Goodenough, profesor strojarstva na Sveučilištu u Teksasu, emeritus, objavio je i podnio patentnu prijavu za bateriju s čašom elektrolit na bazi Impregnirajući čašu litijem ili natrijom, Goodenough je uspio omogućiti struji da teče još brže, spriječavajući kratke spojeve i povećavajući energetski kapacitet čvrstom anodom.
Sva će ova istraživanja utjecati na baterije u našim džepovima i automobilima. Ali postoji i treća kategorija u kojoj su utjecaji globalni.
Melanie Sanford koristi alate za modeliranje na različitim tipovima baterija - ogromne, redoks protočne baterije koje će skladištiti energiju iz obnovljivih elektrana i puštati je kad vjetar i sunce nisu dostupni. Utvrđivanje vrhova i dolina proizvodnje i potrošnje energije pomoći će obnovljivim izvorima energije da se povećaju samo kao dodatna snaga.
Južna Kalifornija Edison već eksperimentira s baterijama automobila, koristeći automobilske baterije tvrtke Tesla, ali s obzirom na to da su baterije tradicionalne na bazi litijum-iona, preskupe su za upotrebu na skali koja će omogućiti globalnu obnovljivu energiju. Osim toga, ograničenja za mrežnu bateriju znatno su različita od automobila. Težina i veličina nisu problem, ali cijena i životni vijek su.
U redox bateriji protoka, materijal za skladištenje energije se drži u tekućem obliku u velikim spremnicima, a zatim se pumpa u manju ćeliju gdje reagira sa sličnim uređajem koji ima suprotan naboj. Računalno modeliranje omogućilo je Sanfordovom laboratoriju da dizajnira organske molekule po mjeri, što je dovelo do tisućitostrukog porasta, za manje od jednog dana do mjeseca, u iznosu vremena u kojem te molekule ostaju stabilne.
"Za izvor na mrežnoj ljestvici potrebni su materijali koji su super jeftini, jer govorimo o ogromnim baterijama", kaže Sanford. "Govorimo o vjetroelektrani, a zatim o usporedivom području skladišta tih baterija."
Prema Sanfordu, inovacije će poticati i od znanosti o materijalima - razvijanjem novih materijala za ugradnju u naše baterije - i od inženjera koji će sustave izgrađene oko tih materijala učiniti efikasnijima. Oboje će biti potrebno, ali nastavak istraživanja do proizvodnje nužno će biti još jedno usko grlo.
"Svi bi trebali biti svjesni da ne postoji niti jedna baterija koja može stati u sve aplikacije", kaže Passerini. „Jasno je da je čak i malo dobiti - 10 posto, 20 posto - velik problem. Moramo napraviti istraživanje na terenu. Znanstvenici se trebaju podržati. "
