Energochłonność właściwa nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych sięga 200 Wh/kg. Średnio wystarcza to tylko na 150 kilometrów zasięgu bez ładowania, czego nie da się porównać z przebiegiem na jednym tankowaniu w przypadku samochodów z konwencjonalnym silnikiem spalinowym. Aby pojazdy elektryczne stały się głównym nurtem, muszą mieć porównywalny zasięg. Aby to zrobić, należy zwiększyć energochłonność akumulatorów do co najmniej 350-400 Wh/kg. Obiecujące typy akumulatorów opisane poniżej będą w stanie to zapewnić, choć każdy przypadek ma swoje własne „ale”.
Baterie litowo-siarkowe wyróżniają się dużą pojemnością właściwą, co wynika z faktu, że podczas reakcji chemicznej każda cząsteczka oddaje nie jeden, a dwa wolne elektrony. Ich teoretyczna energia właściwa wynosi 2600 W*h/kg. Ponadto takie akumulatory są znacznie tańsze i bezpieczniejsze niż akumulatory litowo-jonowe.
Podstawowy akumulator Li-S składa się z anody litowej, katody siarkowo-węglowej i elektrolitu, przez który przepływają jony litu. Podczas wyładowania zachodzi reakcja chemiczna, podczas której lit anody przekształca się w siarczek litu, który osadza się na katodzie. Napięcie akumulatora waha się od 1,7 do 2,5 V, w zależności od stanu rozładowania akumulatora. Polisiarczki litu powstające podczas reakcji wpływają na napięcie akumulatora.
Reakcji chemicznej zachodzącej w akumulatorze towarzyszy szereg negatywnych skutków ubocznych. Gdy siarka katody absorbuje jony litu z elektrolitu, powstaje siarczek litu Li 2 S, który osadza się na katodzie. Jednocześnie jego objętość wzrasta o 76%. Podczas ładowania zachodzi reakcja odwrotna, prowadząca do zmniejszenia rozmiaru katody. W rezultacie katoda ulega znacznym przeciążeniom mechanicznym, co prowadzi do jej uszkodzenia i utraty kontaktu z odbierakiem prądu. Ponadto Li 2 S ulega pogorszeniu kontakt elektryczny na katodzie pomiędzy siarką i węglem (ścieżka, po której poruszają się elektrony) i zapobiega przedostawaniu się jonów litu na powierzchnię siarki.
Inny problem wiąże się z faktem, że podczas reakcji siarki z litem Li 2 S nie powstaje od razu, lecz w wyniku szeregu przemian, podczas których powstają polisiarczki (Li 2 S 8, Li 2 S 6 itp.) . Ale jeśli siarka i Li 2 S są nierozpuszczalne w elektrolicie, wówczas wielosiarczki, wręcz przeciwnie, rozpuszczają się. Prowadzi to do stopniowego zmniejszania się ilości siarki na katodzie. Kolejną uciążliwością jest pojawienie się chropowatości na powierzchni anody litowej podczas przepływu dużych prądów rozładowania i ładowania. Wszystko to razem wzięte doprowadziło do tego, że taki akumulator wytrzymywał nie więcej niż 50-60 cykli rozładowania i ładowania, przez co nie nadawał się do praktyczne użycie.
Jednakże najnowsze osiągnięcia Amerykanie z National Laboratory. Lawrence Berkeley pozwolił im przezwyciężyć te niedociągnięcia. Stworzyli unikalną katodę wykonaną z materiału nanokompozytowego (tlenku grafenu i siarki), którego integralność utrzymuje elastyczna powłoka polimerowa. Dlatego zmiana rozmiaru katody podczas ładowania wyładowczego nie prowadzi do jej zniszczenia. Aby chronić siarkę przed rozpuszczeniem, stosuje się środek powierzchniowo czynny (środek powierzchniowo czynny). Ponieważ środek powierzchniowo czynny jest kationowy (tj. Przyciąga się do powierzchni warstwy siarki), nie zapobiega reakcji anionów litu z siarką, ale nie pozwala na rozpuszczenie powstałych wielosiarczków w elektrolicie, zatrzymując je pod swoją warstwą. Również opracowany nowy elektrolit na bazie cieczy jonowej, w której nie rozpuszczają się wielosiarczki. Ciecz jonowa jest też znacznie bezpieczniejsza – nie pali się i prawie nie odparowuje.
W wyniku wszystkich opisanych innowacji wydajność baterii uległa znacznej poprawie. Jego początkowa energia właściwa wynosi 500 Wh/kg, czyli ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Po 1500 20-godzinnych cyklach rozładowania i ładowania (C=0,05) jego energia właściwa spadła do poziomu świeżego akumulatora Li-Ion. Po 1500 cyklach 1-godzinnych (C=1) redukcja wyniosła 40-50%, ale akumulator nadal działał. Kiedy akumulator był testowany w godz duża moc, poddając go 10-minutowemu cyklowi rozładowania-ładowania (C=6), to nawet po 150 takich cyklach jego energia właściwa przekraczała energię właściwą świeżego akumulatora Li-Ion.
Szacunkowa cena takiego akumulatora Li-S nie przekroczy 100 dolarów za każdą kWh pojemności. Wiele innowacji zaproponowanych przez zespół z Berkeley można wykorzystać do ulepszenia istniejących akumulatorów litowo-jonowych. Aby stworzyć praktyczny projekt baterii LiS, programiści szukają partnerów, którzy sfinansują jej ostateczny rozwój.
Baterie litowo-tytanowe
Najbardziej wielki problem są nowoczesne akumulatory litowo-jonowe słaba efektywność, przede wszystkim ze względu na fakt, że materiały magazynujące energię zajmują jedynie 25% objętości akumulatora. Pozostałe 75% pochodzi z materiałów obojętnych: obudowy, folii przewodzących, kleju itp. Z tego powodu nowoczesne akumulatory zbyt nieporęczne i drogie. Nowa technologia wiąże się ze znaczną redukcją „bezużytecznych” materiałów w konstrukcji akumulatora.
Najnowsze akumulatory litowo-tytanowe pozwalają przezwyciężyć jeszcze jedną wadę Baterie litowo-jonowe– ich kruchość i czas ładowania. Podczas badań stwierdzono, że podczas ładowania wysokie prądy Jony litu zmuszone są „przedostawać się” pomiędzy mikropłytkami grafitowymi, stopniowo niszcząc w ten sposób elektrody. Dlatego grafit w elektrodach został zastąpiony strukturami wykonanymi z nanocząstek tytanianu litu. Nie zakłócają ruchu jonów, co ostatecznie prowadzi do fantastycznego wydłużenia żywotności – ponad 15 000 cykli w ciągu 12 lat! Czas ładowania zostaje skrócony z 6-8 godzin do 10-15 minut. Dodatkowymi zaletami są stabilność termiczna i mniejsza toksyczność.
Zdaniem ekspertów nowe akumulatory będą charakteryzowały się dwukrotnie większą gęstością energii niż większość najlepsza wydajność nowoczesny baterie litowo-jonowe. Tym samym przy tym samym zasięgu pojazdu elektrycznego jego akumulator będzie lżejszy, a przy tej samej masie zasięg znacząco się zwiększy. Jeżeli uda nam się wprowadzić nowy akumulator do produkcji to przebieg będzie kompaktowe pojazdy elektryczne(którego nie można wyposażyć w duży, ciężki akumulator) wzrośnie średnio ze 150 km do 300 km na jednym ładowaniu. Co więcej, nowe akumulatory będą o połowę tańsze od obecnych – tylko 250 dolarów za kWh.
Baterie litowo-powietrzne
Technologia nie stoi w miejscu, a naukowcy już pracują nad stworzeniem praktycznego projektu akumulatora litowo-powietrznego (LiO 2). Jego teoretyczna pojemność energetyczna jest 8-10 razy większa niż w przypadku litu-jonu. Aby zmniejszyć masę akumulatora przy jednoczesnym zachowaniu lub wręcz zwiększeniu jego pojemności, naukowcy zaproponowali radykalne rozwiązanie – rezygnację z tradycyjnej katody: lit będzie oddziaływać bezpośrednio z tlenem z powietrza. Oczekuje się, że dzięki katalitycznej katodzie powietrznej nie tylko zwiększy się pojemność energetyczna akumulatora, ale także zmniejszy się jego objętość i waga o prawie tyle samo.
Do masowej produkcji technologia litowo-powietrzna wymaga rozwiązań wielu kwestii technicznych i zadania naukowe, w tym utworzenie skutecznego katalizatora, anody litowej i stabilnego stałego elektrolitu zdolnego do pracy w niskie temperatury(do -50°C). Ponadto konieczne jest opracowanie techniki nanoszenia katalizatora na powierzchnię katody, stworzenie membrany uniemożliwiającej wnikanie tlenu do anody litowej, a także opracowanie metod wytwarzania specjalnych elektrod porowatych.
Wraz z rozwojem technologii urządzenia stają się coraz bardziej kompaktowe, funkcjonalne i mobilne. Zasługa takiej doskonałości akumulatory , które zasilają urządzenie. Przez lata wymyślono wiele różne rodzaje akumulatory, które mają swoje zalety i wady.
Wydawałoby się, że to obiecująca technologia dziesięć lat temu litowo-jonowa baterie nie spełniają już wymagań współczesnego postępu dla urządzeń mobilnych. Nie są wystarczająco mocne i szybko się starzeją przy częstym użytkowaniu lub długotrwałym przechowywaniu. Od tego czasu opracowano podtypy akumulatorów litowych, takie jak fosforan litowo-żelazowy, polimer litowy i inne.
Ale nauka nie stoi w miejscu i szuka nowych sposobów na jeszcze lepsze oszczędzanie energii elektrycznej. Na przykład wymyślane są inne typy baterii.
Baterie litowo-siarkowe (Li-S)
Siarka litowa Technologia umożliwia uzyskanie akumulatorów o pojemności energetycznej dwukrotnie większej niż ich macierzyste litowo-jonowe. Bez znacznej utraty pojemności akumulator tego typu można ładować nawet 1500 razy. Zaletą baterii jest technologia produkcji i układu, w której wykorzystuje się ciekłą katodę zawierającą siarkę, oddzieloną od anody specjalną membraną.
Baterie litowo-siarkowe można stosować w dość szerokim zakresie temperatur, a koszty ich produkcji są dość niskie. Przy masowym zastosowaniu należy wyeliminować mankament produkcji, czyli utylizację szkodliwej dla środowiska siarki.
Baterie magnezowo-siarkowe (Mg/S)
Do niedawna nie było możliwości łączenia zastosowań siarka i magnez w jednej komórce, ale nie tak dawno temu naukowcom udało się to zrobić. Aby zadziałały, konieczne było wynalezienie elektrolitu, który współpracowałby z obydwoma pierwiastkami.
Dzięki wynalezieniu nowego elektrolitu dzięki powstaniu krystalicznych cząstek, które go stabilizują. Niestety, ale prototyp jest włączony ten moment Nie jest trwały i takie akumulatory najprawdopodobniej nie wejdą do produkcji.
Baterie fluorowo-jonowe
Aniony fluoru służą do przenoszenia ładunków pomiędzy katodą i anodą. Akumulator tego typu ma pojemność kilkadziesiąt razy większą niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe, a także charakteryzuje się mniejszym zagrożeniem pożarowym. Elektrolit oparty jest na barowo-lantanowym.
Wydawałoby się, że rozwój baterii jest obiecującym kierunkiem, jednak nie jest pozbawiony wad; bardzo poważną przeszkodą w masowym zastosowaniu jest praca baterii tylko w bardzo wysokich temperaturach.
Baterie litowo-powietrzne (Li-O2)
Razem z postęp techniczny ludzkość już myśli o naszej ekologii i szuka coraz czystszych źródeł energii. W litowe powietrze W akumulatorach zamiast tlenków metali w elektrolicie zastosowano węgiel, który reaguje z powietrzem, tworząc prąd elektryczny.
Gęstość energii wynosi do 10 kWh/kg, co pozwala na wykorzystanie ich w pojazdach elektrycznych i urządzenia mobilne. Oczekuje się, że wkrótce będzie dostępny dla konsumenta końcowego.
Baterie litowo-nanofosforanowe
Akumulator tego typu to kolejna generacja akumulatorów litowo-jonowych, której jedną z zalet jest m.in wysoka prędkośćładowania i możliwość uzyskania wysokiego prądu wyjściowego. Na przykład pełne naładowanie zajmuje około 15 minut.
Nowa technologia wykorzystująca specjalne nanocząsteczki zdolne zapewnić szybszy przepływ jonów, pozwala na zwiększenie liczby cykli ładowania i rozładowania aż 10-krotnie! Mają oczywiście słabe samorozładowanie i nie ma efektu pamięci. Niestety powszechne stosowanie utrudnia duża waga akumulatorów i konieczność specjalnego ładowania.
Podsumowując, można powiedzieć jedno. Wkrótce będziemy świadkami powszechnego stosowania pojazdów elektrycznych i gadżetów, które mogą działać bardzo długo bez ładowania.
Elektroniczne nowości:
Producent samochodów BMW zaprezentował swoją wersję roweru elektrycznego. Rower elektryczny BMW wyposażony jest w silnik elektryczny (250 W). Rozpędza się do prędkości do 25 km/h.
Do setki w 2,8 sekundy samochodem elektrycznym? Według plotek aktualizacja P85D skróci czas przyspieszania z 0 do 100 kilometrów na godzinę z 3,2 do 2,8 sekundy.
Hiszpańscy inżynierowie opracowali akumulator, który może przejechać ponad 1000 km! Jest o 77% tańszy i ładuje się w zaledwie 8 minut
Wielu wierzy, że przyszłość motoryzacji leży w samochodach elektrycznych. Za granicą istnieją rachunki, według których część sprzedawanych co roku samochodów musi być albo hybrydami, albo napędzana energią elektryczną, więc pieniądze inwestuje się nie tylko w reklamę takich samochodów, ale także w budowę stacji benzynowych.
Jednak wiele osób wciąż czeka, aż samochody elektryczne staną się prawdziwymi konkurentami. tradycyjne samochody. A może stanie się tak, gdy czas ładowania się skróci, a żywotność baterii wzrośnie? Być może baterie grafenowe pomogą w tym ludzkości.
Co to jest grafen?
Rewolucyjny materiał nowej generacji, najlżejszy i najmocniejszy, najbardziej przewodzący prąd elektryczny – to wszystko dotyczy grafenu, który jest niczym innym jak dwuwymiarową siecią węglową o grubości jednego atomu. Twórcy grafenu, Konstantin Nowosełow, otrzymali Nagrodę Nobla. Zwykle od odkrycia do rozpoczęcia praktycznego wykorzystania tego odkrycia w praktyce mija dużo czasu, czasem nawet kilkadziesiąt lat, jednak grafen nie spotkał takiego losu. Być może wynika to z faktu, że Novoselov i Game nie ukrywali technologii jego produkcji.
Nie tylko opowiedzieli o tym całemu światu, ale także pokazali: na YouTube jest film, w którym Konstantin Nowosełow szczegółowo opowiada o tej technologii. Dlatego być może wkrótce będziemy mogli nawet własnoręcznie wyprodukować baterie grafenowe.
Rozwój
Podejmowano próby wykorzystania grafenu w niemal wszystkich dziedzinach nauki. Zostało wypróbowane zasilany energią słoneczną, słuchawki, etui, a nawet próbował leczyć raka. Jednak w tej chwili jedną z najbardziej obiecujących i potrzebnych rzeczy dla ludzkości jest bateria grafenowa. Przypomnijmy, że przy tak niezaprzeczalnej przewadze, jaką jest tanie i przyjazne dla środowiska paliwo, samochody elektryczne mają poważną wadę – stosunkowo niewielką maksymalna prędkość i rezerwa mocy nie większa niż trzysta kilometrów.
Rozwiązanie problemu stulecia
Bateria grafenowa działa na tej samej zasadzie, co bateria ołowiowa z elektrolitem alkalicznym lub kwaśnym. Zasada ta jest reakcją elektrochemiczną. Konstrukcja baterii grafenowej przypomina baterię litowo-jonową ze stałym elektrolitem, w której katodą jest koks węglowy, którego skład jest zbliżony do czystego węgla.
Jednak wśród inżynierów opracowujących akumulatory grafenowe istnieją już dwa zasadniczo różne kierunki. W USA naukowcy zaproponowali wykonanie katody z splecionych ze sobą płytek grafenowych i krzemowych, a anody z klasycznego litu-kobaltu. Rosyjscy inżynierowie znaleźli inne rozwiązanie. Toksyczną i kosztowną sól litu można zastąpić bardziej przyjaznym dla środowiska i tańszym tlenkiem magnezu. Pojemność akumulatora wzrasta w każdym przypadku ze względu na wzrost szybkości przejścia jonów z jednej elektrody na drugą. Osiąga się to dzięki temu, że grafen ma wysoka ocena przepuszczalność elektryczna i zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego.
Zdania naukowców na temat innowacji są podzielone: rosyjscy inżynierowie twierdzą, że akumulatory grafenowe mają pojemność dwukrotnie większą niż akumulatory litowo-jonowe, natomiast ich zagraniczni koledzy twierdzą, że dziesięć.
Baterie grafenowe weszły do masowej produkcji w 2015 roku. Robi to na przykład hiszpańska firma Graphenano. Zdaniem producenta zastosowanie tych akumulatorów w pojazdach elektrycznych na placach logistycznych pokazuje realne, praktyczne możliwości akumulatora z katodą grafenową. Dla w pełni naładowana zajmuje to tylko osiem minut. Maksymalna długość baterie grafenowe mogą również zwiększyć przebieg. Ładowanie za 1000 km zamiast trzystu – to właśnie chce zaoferować konsumentowi korporacja Graphenano.
Hiszpania i Chiny
Współpracuje z Graphenano Chińska firma Chint, który za 18 mln euro kupił 10% udziałów hiszpańskiej korporacji. Wspólne środki zostaną przeznaczone na budowę zakładu z dwudziestoma liniami produkcyjnymi. Projekt otrzymał już około 30 milionów inwestycji, które zostaną zainwestowane w instalację sprzętu i zatrudnienie pracowników. Według pierwotnego planu zakład miał rozpocząć produkcję około 80 mln akumulatorów. W początkowej fazie głównym rynkiem zbytu powinny stać się Chiny, a następnie planowano rozpocząć dostawy do innych krajów.
W drugim etapie Chint jest gotowy zainwestować 350 mln euro w budowę kolejnego zakładu, który będzie zatrudniał około pięciu tysięcy pracowników. Liczby te nie są zaskakujące, biorąc pod uwagę, że całkowite przychody wyniosą około trzech miliardów euro. Ponadto znane z problemów środowiskowych Chiny otrzymają przyjazne dla środowiska i tanie „paliwo”. Jak jednak możemy zaobserwować, poza głośnymi wypowiedziami, nic nie ujrzało światła dziennego, a jedynie modele testowe. Chociaż koncern Volkswagen również ogłosił zamiar współpracy z Graphenano.
Oczekiwania i rzeczywistość
Mamy rok 2017, co oznacza, że Graphenano już od dwóch lat zajmuje się „masową” produkcją akumulatorów, ale widok samochodu elektrycznego na drogach to rzadkość nie tylko w Rosji. Wszystkie cechy i dane udostępniane przez korporację są dość niejasne. Generalnie nie wykraczają poza ogólnie przyjęte wyobrażenia teoretyczne na temat tego, jakie parametry powinien mieć akumulator grafenowy do pojazdu elektrycznego.
Co więcej, jak dotąd wszystko, co zostało zaprezentowane zarówno konsumentom, jak i inwestorom, jest tylko modele komputerowe, żadnych prawdziwych prototypów. Dodatkowy problem polega na tym, że grafen jest materiałem bardzo drogim w produkcji. Pomimo głośnych wypowiedzi naukowców o tym, jak można go „wydrukować na kolanie”, na tym etapie możliwe jest jedynie obniżenie kosztów niektórych komponentów.
Grafen i rynek światowy
Zwolennicy wszelakich teorii spiskowych powiedzą, że na wyglądzie takiego samochodu nikt nie zyskuje, bo wtedy ropa zniknie na dalszy plan, a to oznacza, że spadną także dochody z jej produkcji. Najprawdopodobniej jednak inżynierowie napotkali pewne problemy, ale nie chcą tego reklamować. Słowo „grafen” jest obecnie powszechnie znane, wiele osób uważa je za takie, być może naukowcy nie chcą psuć jego świetności.
Problemy w rozwoju
Rzecz jednak może w tym, że materiał jest rzeczywiście nowatorski, dlatego wymaga odpowiedniego podejścia. Być może akumulatory wykorzystujące grafen powinny zasadniczo różnić się od tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych czy litowo-polimerowych.
Istnieje inna teoria. Graphenano Corporation twierdzi, że nowe akumulatory ładują się w zaledwie osiem minut. Eksperci potwierdzają, że rzeczywiście jest to możliwe, jedynie moc źródła zasilania musi wynosić co najmniej jeden megawat, co jest możliwe w warunkach testowych w fabryce, ale nie w domu. Budowa Wystarczającą ilość wkłady o takiej mocy będą kosztować mnóstwo pieniędzy, cena jednego ładowania będzie dość wysoka, więc grafenowy akumulator do samochodu nie przyniesie żadnych korzyści.
Praktyka pokazuje, że rewolucyjne technologie dość długo integrują się z globalnym rynkiem. Aby zapewnić bezpieczeństwo produktu, należy przeprowadzić wiele testów, dlatego wypuszczenie nowych urządzeń technologicznych jest czasami opóźnione o wiele lat.
Czytanie pytania trudnopisaka :
„Ciekawie byłoby poznać nowe technologie akumulatorów, które są przygotowywane do masowej produkcji."
Cóż, oczywiście kryterium masowej produkcji jest nieco luźne, ale spróbujmy dowiedzieć się, co jest teraz obiecujące.
Oto, co wymyślili chemicy:
Napięcie ogniwa w woltach (pionowo) i właściwa pojemność katody (mAh/g) nowy akumulator bezpośrednio po wytworzeniu (I), pierwszym wyładowaniu (II) i pierwszym ładunku (III) (ilustracja: Hee Soo Kim i in./Nature Communications).
Pod względem potencjału energetycznego akumulatory oparte na kombinacji magnezu i siarki są w stanie przewyższać akumulatory litowe. Jednak jak dotąd nikomu nie udało się połączyć tych dwóch substancji w ogniwie akumulatora. Teraz, z pewnymi zastrzeżeniami, udało się to grupie specjalistów w USA.
Naukowcy z Toyoty Instytut Badawczy V Ameryka północna(TRI-NA) próbował rozwiązać główny problem, stojąc na drodze do powstania akumulatorów magnezowo-siarkowych (Mg/S).
Przygotowano w laboratorium krajowym Pacific Northwest.
Niemcy wynaleźli akumulator fluorowo-jonowy
Oprócz całej armii elektrochemicznych źródeł prądu naukowcy opracowali jeszcze jedną opcję. Jego deklarowanymi zaletami są mniejsze zagrożenie pożarowe i dziesięciokrotnie większa pojemność właściwa niż akumulatory litowo-jonowe.
Chemicy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) zaproponowali koncepcję akumulatorów opartych na fluorkach metali, a nawet przetestowali kilka małych próbek laboratoryjnych.
W takich akumulatorach za przenoszenie ładunków pomiędzy elektrodami odpowiadają aniony fluoru. Anoda i katoda akumulatora zawierają metale, które w zależności od kierunku przepływu prądu (ładowanie lub rozładowanie) naprzemiennie przekształcają się w fluorki lub redukują z powrotem do metali.
„Ponieważ pojedynczy atom metalu może przyjąć lub oddać wiele elektronów jednocześnie, koncepcja ta pozwala na uzyskanie niezwykle dużej gęstości energii – nawet dziesięciokrotnie większej niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych” – mówi współautor dr Maximilian Fichtner.
Aby przetestować pomysł, niemieccy badacze stworzyli kilka próbek takich baterii o średnicy 7 milimetrów i grubości 1 mm. Autorzy zbadali kilka materiałów na elektrody (na przykład miedź i bizmut w połączeniu z węglem) i stworzyli elektrolit na bazie lantanu i baru.
Jednakże taki stały elektrolit jest jedynie etapem pośrednim. Ta kompozycja, która przewodzi jony fluoru, działa dobrze tylko wtedy, gdy wysoka temperatura. Dlatego chemicy szukają dla niego zamiennika – ciekłego elektrolitu, który działałby w temperaturze pokojowej.
(Szczegółowe informacje można znaleźć w komunikacie prasowym instytutu i artykule w czasopiśmie Journal of Materials Chemistry).
Baterie przyszłościTrudno przewidzieć, jaka będzie przyszłość rynku akumulatorów. Baterie litowe nadal królują, a dzięki rozwojowi polimerów litowo-polimerowych mają duży potencjał. Wprowadzenie pierwiastków srebrno-cynkowych jest procesem bardzo długotrwałym i kosztownym, a jego wykonalność jest wciąż kwestią dyskusyjną. Technologie ogniw paliwowych i nanorurek od wielu lat są chwalone i opisywane w najpiękniejszych słowach, jednak w praktyce okazuje się, że produkty są albo zbyt nieporęczne, albo zbyt drogie, albo jedno i drugie. Jedno jest pewne – w nadchodzących latach branża ta będzie nadal aktywnie się rozwijać, ponieważ popularność urządzeń przenośnych rośnie skokowo.
Równolegle z laptopami, których celem jest autonomiczne działanie rozwija się kierunek laptopów stacjonarnych, w których akumulator pełni raczej rolę zapasowego UPS-a. Samsung niedawno wypuścił podobny laptop w ogóle bez baterii.
W NiCd-baterie posiadają również możliwość elektrolizy. Aby zapobiec gromadzeniu się w nich wybuchowego wodoru, akumulatory wyposażono w mikroskopijne zawory.
W słynnym instytucie MIT został niedawno opracowany unikalna technologia produkcja baterie litowe dzięki wysiłkom specjalnie wyszkolonych wirusów.
Chociaż ogniwo paliwowe Zewnętrznie zupełnie różni się od tradycyjnej baterii; działa na tych samych zasadach.
Kto jeszcze może zasugerować obiecujące kierunki?
Ponad 200 lat temu niemiecki fizyk Wilhelm Ritter stworzył pierwszą na świecie baterię. W porównaniu do istniejącej już wówczas baterii A. Volty, urządzenie magazynujące Wilhelma mogło być wielokrotnie ładowane i rozładowywane. W ciągu dwóch stuleci bateria elektryczna bardzo się zmieniła, ale w przeciwieństwie do „koła” jest wynajdowana do dziś. Dziś nowe technologie w produkcji akumulatorów podyktowane są pojawieniem się najnowsze urządzenia, wymagające autonomicznego zasilania. Nowe i coraz potężniejsze gadżety, samochody elektryczne, latające drony – wszystkie te urządzenia wymagają małych, lekkich, ale za to pojemniejszych i wytrzymałych akumulatorów.
Podstawową budowę akumulatora można opisać w skrócie – są to elektrody i elektrolit. To materiał elektrod i skład elektrolitu określają charakterystykę akumulatora i określają jego typ. Obecnie istnieje ponad 33 rodzajów zasilaczy akumulatorowych, jednak najczęściej stosowane z nich to:
- kwas ołowiowy;
- nikiel-kadm;
- Wodorek niklu;
- litowo-jonowa;
- polimer litowy;
- nikiel-cynk.
Praca każdego z nich jest odwracalną reakcją chemiczną, to znaczy reakcja zachodząca podczas rozładowywania zostaje przywrócona podczas ładowania.
Zakres zastosowania akumulatorów jest dość szeroki i w zależności od rodzaju zasilanego przez nie urządzenia, akumulatorowi stawiane są określone wymagania. Na przykład w przypadku gadżetów powinien być lekki, mieć minimalny rozmiar i mieć wystarczająco dużo Duża pojemność. W przypadku elektronarzędzia lub latającego drona prąd wyjściowy jest ważny ze względu na zużycie prąd elektryczny całkiem wysoko. Jednocześnie istnieją wymagania, które dotyczą wszystkich akumulatorów - są to duża pojemność i zasób cykli ładowania.
Naukowcy na całym świecie pracują nad tym zagadnieniem i prowadzą wiele badań i testów. Niestety wiele próbek, które wykazały doskonałe wyniki elektryczne i operacyjne, okazało się zbyt kosztownych i nie zostało wprowadzonych do produkcji. produkcja masowa. Z strona techniczna, najlepsze materiały Do wytworzenia baterii wykorzystuje się srebro i złoto, a z ekonomicznego punktu widzenia cena takiego produktu będzie niedostępna dla konsumenta. Jednocześnie poszukiwania nowych rozwiązań nie ustają, a pierwszym znaczącym przełomem był akumulator litowo-jonowy.
Po raz pierwszy wprowadzono go w 1991 roku Japońska firma Sony. Akumulator charakteryzował się dużą gęstością i niskim samorozładowaniem. Miała jednak braki.
Pierwsza generacja takich zasilaczy była wybuchowa. Z biegiem czasu na anodzie gromadziły się dendryty, co doprowadziło do zwarć i pożaru. W procesie udoskonalania w kolejnej generacji zastosowano anodę grafitową i ta wada została wyeliminowana.
Drugą wadą był efekt pamięci. Przy ciągłym niepełnym ładowaniu akumulator traci pojemność. Uzupełniono prace nad wyeliminowaniem tego niedociągnięcia nowy trend chęć miniaturyzacji. Chęć stworzenia ultracienkich smartfonów, ultrabooków i innych urządzeń wymagała od nauki opracowania nowego źródła zasilania. Ponadto przestarzały już akumulator litowo-jonowy nie zaspokajał potrzeb modelarzy, którzy potrzebowali nowego źródła energii elektrycznej o znacznie większej gęstości i większym prądzie wyjściowym.
Dzięki temu w modelu litowo-jonowym zastosowano elektrolit polimerowy, a efekt przeszedł wszelkie oczekiwania.
Ulepszony model był nie tylko pozbawiony efektu pamięci, ale także wielokrotnie przewyższał swojego poprzednika pod każdym względem. Po raz pierwszy udało się stworzyć baterię o grubości zaledwie 1 mm. Co więcej, jego format może być bardzo różnorodny. Takie baterie natychmiast zaczęły cieszyć się dużym zainteresowaniem zarówno wśród modelarzy, jak i producentów telefonów komórkowych.
Ale nadal występowały niedociągnięcia. Element okazał się stwarzać zagrożenie pożarowe; podczas ładowania nagrzał się i mógł się zapalić. Nowoczesne akumulatory polimerowe posiadają wbudowany obwód zapobiegający przeładowaniu. Zaleca się również ładowanie ich wyłącznie specjalnymi ładowarki, zawarte w zestawie lub podobne modele.
Nie mniej ważna cecha bateria - koszt. To największe wyzwanie stojące dziś przed rozwojem akumulatorów.
Zasilanie pojazdu elektrycznego
Tesla Motors tworzy akumulatory wykorzystując nowe technologie oparte na komponentach znak towarowy Panasonica. Sekret nie został do końca ujawniony, ale wyniki testów są zachęcające. Ecomobile Model Tesli Wyposażony w akumulator o pojemności zaledwie 85 kWh S, na jednym ładowaniu przejechał nieco ponad 400 km. Oczywiście świat nie jest pozbawiony ciekawskich, dlatego w końcu otwarto jedną z tych baterii o wartości 45 000 dolarów.
Wewnątrz znajdowało się wiele ogniw litowo-jonowych Panasonic. Sekcja zwłok nie dała jednak wszystkich odpowiedzi, jakie chcielibyśmy uzyskać.
Technologie przyszłości
Pomimo długi okres stagnacji, nauka stoi u progu wielkiego przełomu. Całkiem możliwe, że jutro telefon komórkowy będzie działać przez miesiąc bez ładowania, a samochód elektryczny przejedzie na jednym ładowaniu 800 km.
Nanotechnologia
Naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii twierdzą, że zastąpienie anod grafitowych drutami krzemowymi o średnicy 100 nm zwiększy pojemność akumulatora 3-krotnie i skróci czas ładowania do 10 minut.
Uniwersytet Stanford zaproponował w zasadzie nowy rodzaj anody Porowate nanodruty węglowe pokryte siarką. Według nich takie źródło zasilania akumuluje 4-5 razy więcej prądu niż akumulator litowo-jonowy.
Amerykański naukowiec David Kisailus powiedział, że akumulatory oparte na kryształach magnetytu będą nie tylko bardziej pojemne, ale także relatywnie tańsze. W końcu kryształy te można uzyskać z zębów skorupiaków.
Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego patrzą na sprawy bardziej praktycznie. Opatentowali już nowe technologie akumulatorów, w których zamiast elektrody grafitowej zastosowano anodę cynową. Wszystko inne się nie zmieni, a nowe baterie z łatwością zastąpią stare w naszych zwykłych gadżetach.
Rewolucja jest już dzisiaj
Znowu samochody elektryczne. Na razie nadal ustępują samochodom pod względem mocy i przebiegu, ale to nie potrwa długo. Tak twierdzą przedstawiciele IBM Corporation, którzy zaproponowali koncepcję akumulatorów litowo-powietrznych. Co więcej, w tym roku obiecuje się, że konsumentom zaprezentowane zostanie nowe źródło zasilania, lepsze pod każdym względem.
