Svět čeká na průlom baterie. Téměř každý sektor elektronického průmyslu, vše, co běží na baterii, je omezeno výkonem a životností energie baterií, které jej provozují.
Související obsah
- Proč je sůl nejcennějším aktivem této elektrárny
- Už nikdy nebudete muset zapojovat tento mobilní telefon bez baterií
„Průběh nebo postup baterií je mnohem pomalejší než v jiných oblastech, a to je přirozené omezení baterií, “ říká Stefano Passerini, šéfredaktor časopisu Journal of Power Source . „Nemůžete očekávat, že baterie, která bude dodávat energii do mobilního telefonu, týden nebo měsíc. Na samém konci je maximální množství energie, kterou můžete uložit v baterii, fixováno dostupnými prvky. “
Ale je zde pokrok. Vědci pracují na zlepšení energetické hustoty (šťáva na hmotnost a objem), ceny, bezpečnosti, dopadu na životní prostředí a dokonce i životnosti nejoblíbenějších tříd lithium-iontových baterií, jakož i na vývoji zcela nových typů.
Většina baterií lze nalézt ve třech hlavních průmyslových odvětvích: spotřební elektronika, automobilový průmysl a skladování v síti.
"Říkal bych jim tři velké kbelíky, kde se lidé protínají s bateriemi, " říká Venkat Srinivasan, zástupce ředitele výzkumu a vývoje ve Společném středisku pro výzkum skladování energie. Každý kbelík má odlišné požadavky, a proto se použité baterie mohou (někdy) od sebe velmi lišit. Tento telefon v kapse potřebuje baterii, která je kompaktní a bezpečná, ale hmotnost a náklady jsou méně důležité. Rozšiřte se na automobilové baterie a s tolika bateriemi se stávají důležitými náklady a hmotnost, stejně jako životnost cyklu (bylo by velmi šílené, kdyby tato nová Tesla vyžadovala nové baterie každých pár let). Zvětšete ještě více a baterie, které se začínají používat k ukládání energie pro domy a rozvodnou síť, mají velmi malou hmotnost nebo požadavky na velikost.
Po celá desetiletí spotřební elektronika - telefon, počítač, fotoaparát, tablet, drony, dokonce i hodinky - běží na lithium-iontových bateriích díky jejich snadné dobití a vysoké hustotě energie. V těchto bateriích tvoří anoda mřížka grafitu plněná ionty lithia. Oxid tvoří katodu, připojenou k protějšímu terminálu, a tyto dvě jsou odděleny kapalným elektrolytem, který umožňuje iontům procházet skrz něj. Když jsou připojeny externí terminály, lithium oxiduje a ionty proudí do katody. Nabíjení je obráceně. Čím více lithiových iontů lze takto přenášet, tím více energie může baterie držet. Ocenili jsme kompaktní velikost a snadné použití, ne-li životnost a bezpečnost baterie. Ale nemusí existovat prostor pro další vylepšení, říká Passernini.
"Nyní se lithium-iontové baterie blíží limitu, " říká. "Ačkoli jsme to už říkali asi před 10 lety a vylepšení za posledních 10 let byla docela podstatná."
V případě automobilů jsou baterie v konečném důsledku odpovědné za životnost automobilu a za obávaný rozsah úzkosti, pokud jde o elektromobily. Abychom tento problém vyřešili, inženýři a vědci se snaží nabít větší kapacitu napětí na baterie. Ale to je často spojeno s chybnými chemickými reakcemi, které časem snižují kapacitu. Velká část výzkumu je věnována hledání nových materiálů a chemikálií, které pomáhají nebo nahrazují lithium-iontovou mříž nebo jiné části baterie.
Srinivasan poukazuje na několik potenciálních inovací, a to nejen pro automobily: Tradiční grafitovou anodovou mříž lze nahradit křemíkem, který obsahuje 10krát tolik lithiových iontů. Ale křemík má tendenci se rozšiřovat, protože absorbuje lithium, takže za to budou muset odpovídat baterie. Nebo: Místo mříže by mohl jako anoda působit lithiový kov - za předpokladu, že dokážeme přijít na to, jak zabránit tomu, aby se při dobíjení zabránilo katastrofickému zkratu. Je to problém, který se výrobci baterií snaží vyřešit od doby, kdy byla lithium-iontová baterie vynalezena před desítkami let. "Velmi jsme doufali, že jsme v době, kdy je možné tento 30letý problém vyřešit znovu, " říká Srinivasan.
Možná by mohlo být lithium zcela nahrazeno. Vědci hledají způsoby, jak místo toho použít sodík nebo hořčík, a Společné středisko pro výzkum skladování energie používá počítačové modelování k prozkoumání materiálů na bázi oxidů na zakázku, které by mohly fungovat jako katoda na hořčíkovou anodu. Hořčík je obzvláště atraktivní, protože jeho struktura mu umožňuje přijímat dva elektrony na atom, což zdvojnásobuje náboj, který může držet.
Prashant Jain a jeho spolupracovníci z University of Illinois pracují na jiném aspektu lithiových baterií: elektrolytu. Elektrolyt je tekutina, která vyplňuje prostor mezi kationtem (kladně nabitý ion) a anionem (záporně nabitý ion), což umožňuje proudit nabité částice. Je již dlouho známo, že určité pevné materiály, jako je selenid mědi, také umožní tokům iontů, ale ne dostatečně rychle na to, aby fungovaly vysoce výkonná zařízení. Jain, pomocný profesor chemie a jeho studenti, vyvinuli superionickou pevnou látku, vyrobenou z nanočástic selenidu mědi, která má odlišné vlastnosti. Umožňuje nabité částice proudit rychlostí srovnatelnou s kapalným elektrolytem.
Možné výhody této technologie jsou dvojí: bezpečnost a životní cyklus. Pokud dojde k poškození stávající lithium-iontové baterie, baterie se krátí a zahřeje. Kapalina se odpařuje a nic nebrání rychlému výboji energie - boomu. Pevná látka zabrání této krátké a umožní celokovovou anodu, která nabízí větší energetickou kapacitu. Navíc v průběhu opakovaných cyklů kapalné elektrolyty začnou rozpouštět katodu a anodu, což je hlavní důvod, proč se baterie nakonec nenabijí.
"Došlo ke všem těmto dílčím zlepšením, která ve skutečnosti přinesla určité pokroky." Ale nikdy nedošlo k velkému dramatickému průlomovému, ničivému technologickému řešení, ve kterém lze nyní říci, že pevný elektrolyt skutečně odpovídá potenciálu, pokud jde o transport iontů, které tekuté elektrolyty mohou, “říká Jain. "Teď, když se bezpečnostní problémy dostávají do popředí, s kapalnými elektrolyty, vědci byli jako, možná bychom si měli myslet na něco dramatického s pevnými elektrolyty a jednou provždy, vytvořit ten, který může nahradit kapalný elektrolyt."
John Goodenough, spolu-vynálezce lithium-iontové baterie, vyvíjí baterii se skleněným elektrolytem. (Cockrell School of Engineering, University of Texas v Austinu) Jeden ze spolu-vynálezců původní lithium-iontové baterie sám bere další směr směrem k polovodičovým elektrolytům: John Goodenough, emeritní profesor inženýrství na University of Texas, zveřejnil a podal patentovou přihlášku na baterii se sklenicí na bázi elektrolytu. Díky impregnaci skla lithiem nebo sodíkem byl Goodenough schopen umožnit proudu proudit ještě rychleji, přičemž zabraňoval krátkým a zvyšujícím se energetickým kapacitám s pevnou anodou.
Celý tento výzkum bude mít vliv na baterie v našich kapsách a automobilech. Existuje však třetí kategorie, kde jsou dopady globální.
Melanie Sanford používá nástroje pro modelování na jiném typu baterie - obrovské, redoxní baterie, které ukládají energii z obnovitelných elektráren a uvolňují ji, když není k dispozici vítr a slunce. Vyrovnání vrcholů a údolí výroby a spotřeby energie pomůže obnovitelným zdrojům dodávat více než jen doplňkovou energii.
Southern California Edison již experimentuje s bateriovými bankami, které používají autobaterie Tesla, ale protože jsou baterie založené na tradičních lithiových iontech, jsou příliš drahé na použití v měřítku, které umožní globální obnovitelnou energii. Kromě toho jsou omezení pro síťovou baterii výrazně odlišná od automobilu. Hmotnost a velikost nejsou problémem, ale cena a životnost jsou.
V baterii s redoxním tokem je materiál uchovávající energii držen v kapalné formě ve velkých nádržích, poté je čerpán do menšího článku, kde reaguje s podobným zařízením, které má opačný náboj. Počítačové modelování umožnilo Sanfordově laboratoři navrhnout organické molekuly na zakázku, což vedlo k tisícinásobnému nárůstu, z méně než jednoho dne na měsíce, v době, kdy tyto molekuly zůstávají stabilní.
"Co se týče zdroje v mřížce, druh věcí, které potřebujete, jsou materiály, které jsou super levné, protože mluvíme o obrovských bateriích, " říká Sanford. "Mluvíme o větrné farmě a poté o srovnatelné oblasti skladů, kde jsou tyto baterie."
Podle Sanforda budou inovace vycházet jak z vědy o materiálech - vyvíjení nových materiálů pro vložení našich baterií -, tak od inženýrů, kteří zefektivní systémy postavené na těchto materiálech. Budou nutné oba, ale potrubí od výzkumu k výrobě bude nutně dalším úzkým hrdlem.
"Každý by si měl být vědom toho, že neexistuje žádná baterie, která by vyhovovala všem aplikacím, " říká Passerini. "Je zřejmé, že i když trochu získáme - 10 procent, 20 procent výkonu - je to velký problém." Musíme udělat výzkum v této oblasti. Vědci musí být podporováni. “
