Samochody elektryczne muszą rozwiązywać wiele problemów środowiskowych. Naładowane prądem ze źródeł odnawialnych będą praktycznie nieszkodliwe dla atmosfery. Oczywiście, jeśli nie weźmiesz pod uwagę ich skomplikowanej technologicznie produkcji. A jazda na napędzie elektrycznym bez zwykłego buczenia silnika jest po prostu przyjemniejsza. Moroka nadal wykonuje ciągłe obowiązki ze względu na stan naładowania akumulatora. W końcu jeśli spadnie do zera i nie będzie w pobliżu ani jednej stacji ładującej, to nie będzie problemów.
Istnieje sześć krytycznych czynników sukcesu pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami. Przede wszystkim mówimy o pojemności - czyli o tym, ile energii elektrycznej może zmagazynować akumulator, o ilości cyklicznego użytkowania akumulatora - czyli o "ładowaniu-rozładowaniu", jakie akumulator może wytrzymać przed awarią, oraz o czasie ładowania - czyli jak długo kierowca będzie musiał czekać, ładując samochód, aby jechać dalej.
Równie ważna jest niezawodność samego akumulatora. Powiedzmy, czy poradzi sobie z wycieczką w góry lub wyjazdem w gorący letni sezon. Oczywiście przy podejmowaniu decyzji o zakupie samochodu elektrycznego należy również wziąć pod uwagę takie czynniki, jak liczba stacji ładowania oraz cena akumulatorów.
Jak daleko można się posunąć na bateriach?
Elektryczne samochody osobowe na rynku pokonują odległości od 150 do ponad 200 kilometrów na jednym ładowaniu. Zasadniczo odległości te można zwiększyć, podwajając lub potrajając liczbę akumulatorów. Ale po pierwsze, teraz byłoby to tak drogie, że kupno samochodu elektrycznego byłoby nieopłacalne, a po drugie, same samochody elektryczne stałyby się znacznie cięższe, więc musiałyby być zaprojektowane do dużych obciążeń. A to jest sprzeczne z celami stawianymi przez firmy produkujące samochody elektryczne, a mianowicie lekkością konstrukcji.
Na przykład Daimler wprowadził niedawno elektryczną ciężarówkę, która może przejechać do 200 kilometrów na jednym ładowaniu. Jednak sama bateria waży co najmniej dwie tony. Ale silnik jest znacznie lżejszy niż w ciężarówce z silnikiem Diesla.
Jakie baterie dominują na rynku?
Nowoczesne baterie, czy to telefony komórkowe, laptopy czy samochody elektryczne, to prawie wyłącznie warianty tak zwanych baterii litowo-jonowych. Mówimy o różnych typach baterii, w których lit alkaliczny znajduje się zarówno w elektrodach dodatnich, jak i ujemnych oraz w cieczy - tak zwanym elektrolicie. Zazwyczaj elektroda ujemna jest wykonana z grafitu. W zależności od innych materiałów użytych w elektrodzie dodatniej są to na przykład akumulatory litowo-kobaltowe (LiCoO2), litowo-tytanowe (Li4Ti5O12) i litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4).
Szczególną rolę odgrywają baterie litowo-polimerowe. Tutaj elektrolit jest plastikiem przypominającym żel. Akumulatory te są obecnie najmocniejszymi akumulatorami na rynku, osiągając nawet 260 watogodzin na kilogram. Pozostałe akumulatory litowo-jonowe są w stanie osiągnąć maksymalnie 140 do 210 watogodzin na kilogram.
A jeśli porównasz rodzaje baterii?
Akumulatory litowo-jonowe są bardzo drogie, przede wszystkim ze względu na wysoką wartość rynkową litu. Istnieje jednak wiele zalet w porównaniu z typami akumulatorów wykonanych z ołowiu i niklu, które były używane w przeszłości.
Ponadto akumulatory litowo-jonowe ładują się dość szybko. Oznacza to, że konwencjonalnym prądem z sieci samochód elektryczny można naładować w ciągu dwóch do trzech godzin. A na stacjach o specjalnym szybkim ładowaniu może to zająć godzinę.
Starsze typy baterii nie mają takich zalet i mogą zmagazynować znacznie mniej energii. Baterie niklowe mają pojemność energetyczną od 40 do 60 watogodzin na kilogram. Właściwości w akumulatorach ołowiowych są jeszcze gorsze – pojemność energetyczna w nich to około 30 watogodzin na kilogram. Są jednak znacznie tańsze i bez problemu wytrzymują wieloletnią eksploatację.
Jak długo wytrzymują nowoczesne baterie?
Wiele osób pamięta tak zwany efekt pamięci baterii w starych bateriach. Przede wszystkim objawiło się to w bateriach niklowych. Wtedy, jeśli ktoś pomyślał, aby naładować baterię śrubokręta lub laptopa, mimo że bateria była prawie w połowie naładowana, zdolność akumulowania energii elektrycznej była zaskakująco mocno zmniejszona. Dlatego przed każdym procesem ładowania konieczne było całkowite zużycie energii. W przypadku pojazdów elektrycznych byłoby to katastrofalne skutki, ponieważ trzeba je ładować, gdy znajdują się w odpowiedniej odległości od stacji ładującej, a nie wtedy, gdy bateria się wyczerpie.
Ale baterie litowo-jonowe nie mają takiego „efektu pamięci”. Producenci obiecują do 10 000 cykli ładowania i rozładowania i 20 lat bezawaryjnej pracy. Jednocześnie doświadczenie konsumentów często sugeruje coś innego – baterie w laptopach „giną” po kilku latach eksploatacji. Ponadto czynniki zewnętrzne, takie jak ekstremalne temperatury lub nieumyślne całkowite rozładowanie lub przeładowanie akumulatora, mogą spowodować nieodwracalne uszkodzenie akumulatorów. W nowoczesnych akumulatorach bardzo ważna jest nieprzerwana praca elektroniki sterującej procesem ładowania.
Superbaterie - tylko pusta fraza?
Nad rozwojem baterii krzemowo-powietrznych pracują eksperci z Centrum Badawczego Jülich. Pomysł na baterie lotnicze nie jest taki nowy. Tak więc wcześniej próbowano opracować baterie litowo-powietrzne, w których elektroda dodatnia składałaby się z nanokrystalicznej sieci węglowej. W tym przypadku sama elektroda nie uczestniczy w procesie elektrochemicznym, a jedynie pełni rolę przewodnika, na powierzchni którego redukowany jest tlen.
Baterie krzemowo-powietrzne działają na tej samej zasadzie. Mają jednak tę zaletę, że są wykonane z bardzo taniego krzemu, który w naturze występuje w niemal nieograniczonych ilościach w postaci piasku. Ponadto krzem jest aktywnie wykorzystywany w technologii półprzewodnikowej.
Oprócz potencjalnie niskich kosztów produkcji, parametry techniczne akumulatorów powietrznych są również na pierwszy rzut oka dość atrakcyjne. W końcu potrafią osiągnąć taką pojemność energetyczną, która przekracza dzisiejsze liczby trzykrotnie, a nawet dziesięciokrotnie.
Jednak te wydarzenia są nadal dalekie od wejścia na rynek. Największym problemem jest niezadowalająca krótka „żywotność” baterii powietrznych. Jest znacznie poniżej 1000 cykli ładowania i rozładowania. Pewną nadzieję daje eksperyment naukowców z Centrum Jülich. Udało im się odkryć, że czas działania takich akumulatorów można znacznie wydłużyć, jeśli elektrolit w tych akumulatorach jest regularnie uzupełniany. Ale nawet przy tych rozwiązaniach technicznych akumulatory te nie osiągną nawet ułamka żywotności, jaką mają dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe.
A dzisiaj porozmawiamy o wyimaginowanych – o gigantycznej pojemności właściwej i błyskawicznym ładowaniu. Wieści o takich wydarzeniach pojawiają się z godną pozazdroszczenia regularnością, ale przyszłość jeszcze nie nadeszła, a my nadal używamy akumulatorów litowo-jonowych, które pojawiły się na początku minionej dekady, lub ich nieco bardziej zaawansowanych odpowiedników litowo-polimerowych. O co więc chodzi, trudności technologiczne, błędna interpretacja słów naukowców, czy coś innego? Spróbujmy to rozgryźć.
W pogoni za szybkością ładowania
Jednym z parametrów akumulatorów, który naukowcy i duże firmy nieustannie starają się poprawić, jest szybkość ładowania. Jednak nie będzie można jej zwiększać w nieskończoność, nawet ze względu na chemiczne prawa reakcji zachodzących w akumulatorach (zwłaszcza, że twórcy akumulatorów aluminiowo-jonowych stwierdzili już, że tego typu akumulator można w pełni naładować w zaledwie sekundę ), ale z powodu ograniczeń fizycznych. Załóżmy, że mamy smartfon z baterią 3000 mAh i obsługą szybkiego ładowania. Taki gadżet można w pełni naładować w ciągu godziny prądem o natężeniu średnio 3 A (średnio, ponieważ napięcie zmienia się podczas ładowania). Jeśli jednak chcemy uzyskać pełne naładowanie w zaledwie minutę, potrzebujemy prądu 180 A bez uwzględniania różnych strat. Do ładowania urządzenia takim prądem potrzebny jest przewód o średnicy około 9 mm - dwukrotnie grubszy od samego smartfona. Tak, a prąd 180 A przy napięciu około 5 V nie będzie w stanie wydać konwencjonalnej ładowarki: właściciele smartfonów będą potrzebować konwertera prądu impulsowego, takiego jak ten pokazany na poniższym zdjęciu.
Alternatywą dla zwiększania prądu jest zwiększenie napięcia. Ale zazwyczaj jest stały, a dla akumulatorów litowo-jonowych wynosi 3,7 V. Oczywiście można go przekroczyć – ładowanie w technologii Quick Charge 3.0 przychodzi napięciem do 20 V, ale próba ładowania akumulatora napięciem około 220 V jest bezużyteczne, nie doprowadzi do dobra i nie jest możliwe rozwiązanie tego problemu w najbliższej przyszłości. Nowoczesne baterie po prostu nie mogą używać tego napięcia.
Bezterminowe baterie
Oczywiście teraz nie mówimy o „perpetum mobile”, ale o bateriach o długiej żywotności. Nowoczesne akumulatory litowo-jonowe do smartfonów wytrzymują maksymalnie kilka lat aktywnego użytkowania urządzeń, po czym ich pojemność systematycznie spada. Posiadacze smartfonów z wymiennymi bateriami mają trochę więcej szczęścia niż inni, ale nawet w tym przypadku warto upewnić się, że bateria została niedawno wyprodukowana: baterie litowo-jonowe degradują się nawet, gdy nie są używane.
Naukowcy ze Stanford University zaproponowali rozwiązanie tego problemu: pokrycie elektrod istniejących typów akumulatorów litowo-jonowych materiałem polimerowym z dodatkiem nanocząstek grafitu. Zgodnie z koncepcją naukowców ochroni to elektrody, które podczas pracy nieuchronnie pokrywają się mikropęknięciami, a te same mikropęknięcia w materiale polimerowym same się zagoją. Zasada działania takiego materiału jest zbliżona do technologii zastosowanej w smartfonie LG G Flex z samonaprawiającą się tylną obudową.
Przejście do trzeciego wymiaru
W 2013 roku pojawił się raport, że naukowcy z University of Illinois opracowują nowy typ baterii litowo-jonowej. Naukowcy stwierdzili, że moc właściwa takich akumulatorów wyniesie nawet 1000 mW/(cm*mm), podczas gdy moc właściwa konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych waha się między 10-100 mW/(cm*mm). Zastosowano te jednostki miary, ponieważ mówimy o raczej niewielkich strukturach o grubości kilkudziesięciu nanometrów.
Zamiast płaskiej anody i katody, stosowanych w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych, naukowcy zaproponowali zastosowanie struktur objętościowych: sieci krystalicznej z siarczku niklu na porowatym niklu jako anody i dwutlenku litu manganu na porowatym niklu jako katodzie.
Pomimo wszelkich wątpliwości, jakie budził brak dokładnych parametrów nowych akumulatorów w pierwszych informacjach prasowych, a także prototypów, które nie zostały jeszcze zaprezentowane, nowy typ akumulatorów jest nadal prawdziwy. Potwierdza to kilka artykułów naukowych na ten temat opublikowanych w ciągu ostatnich dwóch lat. Jeśli jednak takie baterie staną się dostępne dla użytkowników końcowych, nie nastąpi to w najbliższym czasie.
Ładowanie przez ekran
Naukowcy i inżynierowie starają się przedłużyć żywotność naszych gadżetów nie tylko poprzez poszukiwanie nowych rodzajów baterii czy zwiększanie ich energooszczędności, ale także w dość nietypowy sposób. Naukowcy z Michigan State University zaproponowali osadzenie przezroczystych paneli słonecznych bezpośrednio w ekranie. Ponieważ zasada działania takich paneli opiera się na pochłanianiu promieniowania słonecznego, aby uczynić je przezroczystymi, naukowcy musieli zastosować sztuczkę: materiał nowego typu paneli pochłania tylko promieniowanie niewidzialne (podczerwień i ultrafiolet), po fotony, odbite od szerokich krawędzi szkła, są pochłaniane przez wąskie paski paneli słonecznych typu tradycyjnego umieszczone na jego krawędziach.
Główną przeszkodą we wprowadzeniu takiej technologii jest niska wydajność takich paneli – tylko 1% w porównaniu do 25% tradycyjnych paneli słonecznych. Teraz naukowcy szukają sposobów na zwiększenie wydajności do co najmniej 5%, ale trudno oczekiwać szybkiego rozwiązania tego problemu. Swoją drogą, podobną technologię opatentował niedawno Apple, ale nie wiadomo jeszcze dokładnie, gdzie producent umieści panele słoneczne w swoich urządzeniach.
Wcześniej słowami „bateria” i „akumulator” mieliśmy na myśli akumulator, ale niektórzy badacze uważają, że w gadżetach można używać jednorazowych źródeł napięcia. Jako baterie, które mogłyby działać bez ładowania lub innej konserwacji przez kilka lat (a nawet kilkadziesiąt lat), naukowcy z University of Missouri zaproponowali zastosowanie RTG – radioizotopowych generatorów termoelektrycznych. Zasada działania RTG opiera się na zamianie ciepła uwalnianego podczas rozpadu radiowego na energię elektryczną. Wiele z tych urządzeń jest znanych z zastosowania w kosmosie i trudno dostępnych miejscach na Ziemi, ale w Stanach Zjednoczonych miniaturowe baterie radioizotopowe są również używane w rozrusznikach serca.
Prace nad ulepszonym typem takich baterii trwają od 2009 roku, a nawet pokazano prototypy takich baterii. Ale w najbliższej przyszłości nie będziemy mogli zobaczyć baterii radioizotopowych w smartfonach: są one drogie w produkcji, a ponadto w wielu krajach obowiązują surowe ograniczenia dotyczące produkcji i obrotu materiałami radioaktywnymi.
Ogniwa wodorowe mogą być również używane jako baterie jednorazowe, ale nie można ich używać w smartfonach. Baterie wodorowe kończą się dość szybko: chociaż twój gadżet będzie trwał dłużej na jednym wkładzie niż na jednym ładowaniu konwencjonalnej baterii, będą musiały być okresowo wymieniane. Nie przeszkadza to jednak w stosowaniu akumulatorów wodorowych w pojazdach elektrycznych, a nawet akumulatorów zewnętrznych: na razie nie są to urządzenia masowe, ale nie są już prototypami. Tak, a podobno Apple już opracowuje system uzupełniania wkładów wodorowych bez wymiany ich do użytku w przyszłych iPhone'ach.
Pomysł, że na bazie grafenu można stworzyć baterię o dużej pojemności właściwej, pojawił się już w 2012 roku. I tak na początku tego roku Hiszpania ogłosiła rozpoczęcie budowy przez Graphenano zakładu do produkcji baterii grafenowo-polimerowych do pojazdów elektrycznych. Nowy typ akumulatora jest prawie czterokrotnie tańszy w produkcji niż tradycyjne akumulatory litowo-polimerowe, ma pojemność właściwą 600 Wh/kg i można go naładować do 50 kWh w zaledwie 8 minut. To prawda, jak powiedzieliśmy na samym początku, będzie to wymagało mocy około 1 MW, więc ta liczba jest osiągalna tylko teoretycznie. Nie wiadomo, kiedy dokładnie zakład rozpocznie produkcję pierwszych baterii grafenowo-polimerowych, ale całkiem możliwe, że wśród nabywców jego produktów znajdzie się Volkswagen. Koncern ogłosił już plany produkcji pojazdów elektrycznych o zasięgu do 700 kilometrów na jednym ładowaniu akumulatora do 2018 roku.
Jeśli chodzi o urządzenia mobilne, stosowanie w nich baterii grafenowo-polimerowych jest utrudnione przez duże gabaryty takich baterii. Miejmy nadzieję, że badania w tym obszarze będą kontynuowane, bo baterie grafenowo-polimerowe to jedne z najbardziej obiecujących typów baterii, jakie mogą pojawić się w najbliższych latach.
Dlaczego więc pomimo całego optymizmu naukowców i regularnie pojawiających się wiadomości o przełomach w dziedzinie oszczędzania energii, obserwujemy teraz stagnację? Przede wszystkim sprawa leży w naszych wysokich oczekiwaniach, które podsycają tylko dziennikarze. Chcemy wierzyć, że niedługo nastąpi rewolucja w świecie baterii, a baterię z naładowaniem dostaniemy w niecałą minutę i o niemal nieograniczonym czasie życia, która na nowoczesnym smartfonie wystarczy na co najmniej tydzień z ośmiordzeniowym procesorem. Ale takie przełomy niestety się nie zdarzają. Wprowadzenie każdej nowej technologii do masowej produkcji poprzedzone jest wieloletnimi badaniami naukowymi, badaniami próbek, opracowywaniem nowych materiałów i procesów technologicznych oraz innymi pracami, które zabierają dużo czasu. W końcu te same baterie litowo-jonowe zajęły około pięciu lat, aby przekształcić prototypy inżynierskie w gotowe urządzenia, które można wykorzystać w telefonach.
Dlatego możemy tylko zaopatrzyć się w cierpliwość i nie brać sobie do serca wiadomości o nowych bateriach. Przynajmniej do czasu, gdy pojawi się wiadomość o uruchomieniu ich masowej produkcji, kiedy nie ma wątpliwości co do opłacalności nowej technologii.
Naukowcy z University of Texas w Austin, kierowani przez 94-letniego profesora Johna Goodenougha, opracowali nowy typ baterii półprzewodnikowej. Co ciekawe, to właśnie John Goodenough jest jednym z twórców nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych. W 1983 roku on i jego koledzy zaproponowali zastosowanie litowo-kobaltytowego jako katody w akumulatorach litowo-jonowych. Nowa technologia przewiduje stworzenie całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów, które charakteryzują się zwiększonym bezpieczeństwem, trwałością oraz zwiększoną szybkością ładowania w porównaniu z tradycyjnymi.
„Koszt, bezpieczeństwo, gęstość energii, szybkość ładowania i rozładowania oraz trwałość to kluczowe czynniki, które mogą przyczynić się do ich wzrostu. Wierzymy, że nasze odkrycie rozwiązuje wiele problemów związanych z nowoczesnymi akumulatorami” – powiedział John Goodenough.
Nowe akumulatory mają co najmniej trzykrotnie większą gęstość energii niż obecne akumulatory litowo-jonowe. W przypadku pojazdów elektrycznych oznacza to, że na jednym ładowaniu będą mogły przejechać większą odległość, a smartfony będą mogły pochwalić się dużą autonomią. Oprócz zwiększonej gęstości energii, nowe akumulatory zachowują również swoją pojemność na większą liczbę cykli ładowania (do 1200 cykli) i czas ładowania w minutach, a nie godzinach.
Nowoczesne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują płynne elektrolity do przemieszczania jonów litu między anodą a katodą. Zbyt szybkie ładowanie może spowodować zwarcie, któremu często towarzyszy wybuch. Naukowcy z University of Texas zamiast ciekłych elektrolitów zastosowali szkło - pozwalają one na zastosowanie anody z metalu alkalicznego (litowej, sodowej lub potasowej) bez możliwości tworzenia się dendrytów.
Kolejną zaletą stosowania elektrolitów szklanych zamiast płynnych jest to, że mogą bezproblemowo pracować w temperaturach poniżej zera. Ponadto wszystkie elementy takiej baterii mogą być wykonane z materiałów przyjaznych dla środowiska.
Niestety, podobnie jak w przypadku innych obiecujących technologii akumulatorów, nie ma jeszcze mowy o komercyjnym wykorzystaniu tego rozwiązania.
Wynalazca akumulatorów litowo-jonowych wprowadził nowy typ akumulatora
Wynalazca akumulatorów litowo-jonowych wprowadził nowy typ akumulatora
Naukowcy z University of Texas w Austin stworzyli baterie półprzewodnikowe, które powinny być wydajniejszą i całkowicie bezpieczną alternatywą dla baterii litowo-jonowych. Rozwój jest prowadzony przez 94-letniego wynalazcę Johna Goodenougha, który prawie trzy dekady temu współwynalazł akumulator litowo-jonowy.
Jak odkryli eksperymentatorzy, nowy typ baterii ma trzykrotnie większą pojemność energetyczną, ładuje się szybciej, wytrzymuje temperatury do -60°C, nie eksploduje w wyniku przegrzania lub uszkodzenia powłoki i nie szkodzi środowisku podczas utylizacji . Jako materiał akumulujący energię elektryczną w takiej baterii zastosowano nie rzadki i drogi lit, ale tani sód, który można wydobyć z wody morskiej w taki sam sposób jak sól.
Baterie litowo-jonowe są szeroko rozpowszechnione i stosowane w prawie wszystkich rodzajach urządzeń elektronicznych. Zasada ich działania opiera się na ruchu jonów ciekłego elektrolitu między anodą a katodą. Jeśli akumulator jest ładowany zbyt szybko, może tworzyć „wyrostki” litu, które prowadzą do zmniejszenia pojemności, zwarcia, a nawet wybuchu akumulatora. Elektrolitem w nowym akumulatorze Goodenough jest szkło, co pozwala na zastosowanie jako anody metali alkalicznych (np. sodu lub potasu), które nie tworzą procesów. Ryzyko pożaru w takiej baterii jest bliskie zeru.
„Koszt, bezpieczeństwo, energochłonność, szybkość ładowania i żywotność baterii mają kluczowe znaczenie dla dalszego rozprzestrzeniania się pojazdów elektrycznych. Wierzymy, że nasza technologia pomoże rozwiązać wiele problemów, z jakimi borykają się nowoczesne akumulatory” – skomentował swój wynalazek John Goodenough.
Goodenough nie jest pierwszą firmą, która zdecydowała się na wymianę płynnego elektrolitu na stały. Przed nim w podobne eksperymenty zajmowali się naukowcy z Massachusetts Institute of Technology. Użyli siarczków, ale stwierdzili, że ten materiał jest zbyt kruchy, więc opartych na nim baterii nie można stosować w technologii przenośnej i pojazdach elektrycznych.
Baterie litowo-jonowe są używane w elektronice od wczesnych lat 90-tych i prawie zastąpiły wszystkie inne typy baterii. Od 25 lat nie osiągnięto zauważalnego przełomu w tej technologii – efektywność energetyczna takich akumulatorów, choć rośnie, jest bardzo powolna. Ich głównym problemem jest niebezpieczeństwo wybuchu w dowolnym momencie bez wyraźnego powodu oraz stopniowa utrata pojemności nominalnej od przeładowania do całkowitego wyczerpania.
Nowy typ baterii od wynalazcy baterii litowo-jonowej
Naukowcy z University of Texas w Austin stworzyli baterie półprzewodnikowe, które powinny być wydajniejszą i całkowicie bezpieczną alternatywą dla baterii litowo-jonowych.
Konwencjonalne akumulatory tego typu wyposażone są w katodę węglową, w porach której magazynowany jest tlen atmosferyczny pełniący rolę materiału aktywnego. Podczas rozładowania kationy litu przemieszczają się z anody litowej przez elektrolit i reagują z tlenem, tworząc (najlepiej) nadtlenek litu Li 2 O 2, który jest zatrzymywany na katodzie, a elektrony przechodzą z anody do katody przez obwód obciążenia. Przewagą próbek litowo-powietrznych nad tradycyjnymi litowo-jonowymi jest wyższa osiągalna gęstość energii.
Na wydajność akumulatorów litowo-powietrznych wpływa wiele czynników: wilgotność względna, ciśnienie parcjalne tlenu, skład elektrolitu, wybór katalizatora i ogólny układ urządzenia. Należy również wziąć pod uwagę, że produkty reakcji osadzone na elektrodzie węglowej (Li 2 O 2) blokują drogi przenikania tlenu, ograniczając wydajność. Dlatego elektroda powietrzna o optymalnej konfiguracji powinna mieć zarówno mikrorozmiarowe pory, które zapewniają swobodny przepływ tlenu, jak i nanorozmiarowe wnęki, które tworzą wystarczającą gęstość miejsc dla reakcji Li-O2.
Schemat sfunkcjonalizowanego arkusza grafenowego z grupami funkcyjnymi po obu stronach i krawędziach oraz defektami sieci, które stają się energetycznie korzystnymi miejscami do wychwytywania produktów reakcji (Li 2 O 2). Defekty są zaznaczone na żółto i fioletowo, atomy węgla na szaro, atomy tlenu na czerwono, a atomy wodoru na biało. Idealna porowata struktura elektrody powietrznej jest pokazana po prawej stronie. (Tu i poniżej ilustracje pochodzą z Nano Letters.)
Do stworzenia nowych elektrod wykorzystano sfunkcjonalizowane arkusze grafenowe otrzymane przez obróbkę cieplną tlenku grafitu. Początkowy stosunek C/O tlenku wynosi w przybliżeniu dwa, ale utrzymywanie w temperaturze 1050 ˚C tylko przez 30 s pozwala na zwiększenie go do
15 z powodu uwolnienia CO 2 . Po ulotnieniu się dwutlenku węgla w arkuszach pojawiają się defekty sieci, które przyczyniają się do powstawania izolowanych nanocząstek Li 2 O 2, które nie blokują dostępu tlenu podczas pracy akumulatora.
Przygotowane arkusze umieszczono w roztworze mikroemulsji zawierającym spoiwa. Po wysuszeniu elektroda uzyskała niezwykłą strukturę wewnętrzną, w której wyróżniają się luźno upakowane elementy w kształcie jajka. Pomiędzy nimi ułożono szerokie przejścia, a „skorupa” elementów zawierała liczne pory o rozmiarach nanometrowych. Innymi słowy, konstrukcja elektrody była bliska optymalnej.
Elektrody grafenowe: górna – właśnie wykonana, dolna – po rozładowaniu. Strzałki oznaczają cząstki Li 2 O 2 . Wymiary w mikrometrach.
W eksperymentach akumulatory litowo-powietrzne z elektrodami grafenowymi (bez katalizatora) wykazały rekordowo wysoką pojemność 15 000 mAh na gram węgla. Zauważamy, że takie wyniki osiągnięto w atmosferze czystego O 2 , w powietrzu pojemność jest zauważalnie zmniejszona, ponieważ woda zakłóca działanie urządzenia. Autorzy już myślą o konstrukcji membrany, która gwarantuje ochronę przed wodą, ale przepuszcza niezbędny tlen.
„Chcemy również, aby bateria była w pełni ładowalna”, mówi Ji-Guang Zhang, szef zespołu naukowego. „Będzie to wymagało nowego elektrolitu i nowego katalizatora, a to nas teraz interesuje”.
Krzywa rozładowania baterii litowo-powietrznej z elektrodą grafenową.
Niemcy wynaleźli baterię fluorkowo-jonową
Oprócz całej armii źródeł prądu elektrochemicznego naukowcy opracowali jeszcze jedną opcję. Jego deklarowane zalety to mniejsze zagrożenie pożarowe i dziesięciokrotnie większa pojemność właściwa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Chemicy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) opracowali koncepcję baterii opartą na fluorkach metali, a nawet przetestowali niektóre małe próbki laboratoryjne.
W takich akumulatorach za przenoszenie ładunków między elektrodami odpowiadają aniony fluoru. Anoda i katoda akumulatora zawierają metale, które w zależności od kierunku przepływu prądu (ładowanie lub rozładowywanie) zamieniają się kolejno w fluorki lub są z powrotem redukowane do metali.
„Ponieważ pojedynczy atom metalu może przyjmować lub oddawać wiele elektronów jednocześnie, koncepcja ta pozwala na ekstremalnie wysoką gęstość energii – nawet dziesięciokrotnie wyższą 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 elektrodowych (na przykład miedź i bizmut w połączeniu z węglem) i stworzyli elektrolit na bazie lantanu i baru.
Jednak taki stały elektrolit jest tylko etapem pośrednim. Ta kompozycja, która przewodzi jony fluoru, działa dobrze tylko w wysokich temperaturach. Dlatego chemicy szukają dla niego zamiennika - płynnego elektrolitu, który działałby w temperaturze pokojowej.
(Szczegóły można znaleźć w komunikacie prasowym instytutu oraz artykule w Journal of Materials Chemistry.)
To, co czeka rynek baterii w przyszłości, jest wciąż trudne do przewidzenia. Baterie litowe wciąż królują i mają duży potencjał dzięki rozwojowi polimerów litowych. Wprowadzenie pierwiastków srebrno-cynkowych to bardzo długi i kosztowny proces, a jego wykonalność jest nadal kwestią dyskusyjną. Technologie ogniw paliwowych i nanorurek od wielu lat są chwalone i opisywane w najpiękniejszy sposób, ale w praktyce produkty są albo zbyt duże, albo zbyt drogie, albo jedno i drugie. Jedno jest pewne – w najbliższych latach branża ta będzie się nadal aktywnie rozwijać, ponieważ popularność urządzeń przenośnych rośnie w zawrotnym tempie.
Równolegle z laptopami nastawionymi na żywotność baterii rozwija się kierunek laptopów stacjonarnych, w których bateria pełni raczej rolę zapasowego zasilacza UPS. Niedawno Samsung wypuścił podobny laptop bez baterii.
W NiCd-akumulatory posiadają również możliwość elektrolizy. Aby zapobiec gromadzeniu się w nich wybuchowego wodoru, baterie wyposażono w mikroskopijne zawory.
w renomowanym instytucie MIT Ostatnio dzięki wysiłkom specjalnie wyszkolonych wirusów opracowano unikalną technologię produkcji baterii litowych.
Pomimo tego, że ogniwo paliwowe wygląda zupełnie inaczej niż tradycyjny akumulator, działa na tych samych zasadach.
A kto jeszcze powie ci obiecujące kierunki?
Wykonano przyszłe elektrody grafenowe do akumulatorów litowo-powietrznych
Nadal spełniam życzenia moich przyjaciół z październikowego TABELI ZAMÓWIEŃ. Czytamy pytanie trudnopisaka: Ciekawe by dowiedzieć się o nowych technologiach akumulatorów, które są przygotowywane do masowej produkcji. Cóż, oczywiście kryterium masowej produkcji jest nieco rozszerzalne, ale ...
Społeczności › Pojazdy elektryczne › Blog › Nowe akumulatory o 20-krotnie większej pojemności.
Czech Jan Prochazka stworzył rewolucyjny rodzaj baterii, której produkcja jest już gotowa na finansowanie przez największych światowych inwestorów.
Nowa bateria 3D różni się od znanych wcześniej próbek sposobem produkcji. Rzecz w tym, że w nowym akumulatorze ogniwa galwaniczne są ułożone poziomo w postaci płytek w ramie, a nie pionowo w postaci metalowych folii z aktywnymi warstwami, jak to ma miejsce w akumulatorach litowych.
Technologia ta pomaga obniżyć koszty produkcji, dzięki czemu cena będzie niższa w porównaniu z litem.
Nowa technologia akumulatorów pozwala nie tylko zwiększyć ich pojemność co najmniej 20-krotnie, ale również zapewnia szybsze ładowanie akumulatorów.
Nowe akumulatory o dużej pojemności mogą rozwiązać główny problem alternatywnych źródeł energii – długoterminowe przechowywanie zgromadzonej energii. Ponadto można je zastosować w pojazdach elektrycznych – w efekcie znacznie zwiększy się zasięg.
Właścicielem patentu na baterię 3D jest firma HE3DA, na czele której stoi twórca nowej baterii Jan Prochazk. Obecnie w swoim warsztacie w Letnanach wyprodukował 160 egzemplarzy.
Wynalazek Czecha zainteresował się ogromną liczbą dużych inwestorów z Niemiec i Słowacji. Najciekawsza okazała się jednak propozycja prywatnego chińskiego inwestora-miliardera Hu Yuanpinga.
Chińczycy złożyli bezzwrotne zobowiązanie w wysokości 5 mln euro i są gotowi zapłacić kolejne 50 mln euro za 49% udziałów w HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Ale hojność chińskiego miliardera też się na tym nie kończy, planuje zainwestować kolejne 50 milionów euro w przyszłości, jeśli projekt będzie dobrze realizowany.
Pierwszy zakład do produkcji baterii 3D pojawi się na północy Moraw w miejscowości Gornji Suha, a później masowa produkcja rozpocznie się w Chinach.
Wynalazek Prochazki pozwoli nie tylko efektywniej magazynować energię pozyskiwaną z elektrowni wiatrowych i słonecznych, ale może być również wykorzystywany w pojazdach elektrycznych, co jeszcze bardziej zwiększy ich popularność.
* włączony negatywny kontroler dla komentarzy
Społeczności › Pojazdy elektryczne › Blog › Nowe akumulatory o 20-krotnie większej pojemności
Tagi: bateria 3d, rewolucyjny typ baterii, he3da. Czech Jan Prochazka stworzył rewolucyjny rodzaj baterii, której produkcja jest już gotowa na finansowanie przez największych światowych inwestorów. Nowa bateria 3D różni się od znanych wcześniej próbek sposobem produkcji. Rzecz w tym, że w nowym akumulatorze ogniwa galwaniczne znajdują się poziomo...
Wielu wierzy, że przyszłość motoryzacji leży w samochodach elektrycznych. Za granicą są rachunki, według których część sprzedawanych rocznie samochodów musi być albo hybrydami, albo zasilana 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 rywalami dla tradycyjnych samochodów. A może będzie, gdy skróci się czas ładowania i wydłuży się żywotność baterii? Być może baterie grafenowe pomogą w tym ludzkości.
Co to jest grafen?
Rewolucyjny materiał nowej generacji, najlżejszy i najmocniejszy, najbardziej przewodzący elektryczność - chodzi o grafen, który jest niczym innym jak dwuwymiarową siatką węglową o grubości jednego atomu. Twórcy grafenu Konstantin Novoselov otrzymał Nagrodę Nobla. Zwykle między odkryciem a początkiem praktycznego wykorzystania tego odkrycia w praktyce mija długi czas, czasem nawet dziesięciolecia, ale grafen nie spotkał takiego losu. Być może wynika to z faktu, że Novoselov i Geim nie ukrywali technologii jego produkcji.
Nie tylko opowiedzieli o tym całemu światu, ale także pokazali: na YouTube jest wideo, w którym Konstantin Nowoselow szczegółowo opowiada o tej technologii. Dlatego być może niedługo będziemy mogli nawet zrobić baterie grafenowe własnymi rękami.
Rozwój
Próby wykorzystania grafenu były podejmowane niemal we wszystkich dziedzinach nauki. Został wypróbowany w panelach słonecznych, słuchawkach, obudowach, a nawet próbował leczyć raka. Jednak w tej chwili jedną z najbardziej obiecujących i potrzebnych ludzkości rzeczy jest bateria grafenowa. Przypomnijmy, że z tak niekwestionowaną zaletą, jak tanie i przyjazne dla środowiska paliwo, pojazdy elektryczne mają poważną wadę - stosunkowo niską prędkość maksymalną i zasięg nie większy niż trzysta kilometrów.
Rozwiązanie problemu stulecia
Bateria grafenowa działa na tej samej zasadzie, co baterie ołowiowe z elektrolitem alkalicznym lub kwasowym. Ta zasada to reakcja elektrochemiczna. Z założenia bateria grafenowa jest podobna do baterii litowo-jonowej ze stałym elektrolitem, w której katodą jest koks węglowy o składzie zbliżonym do czystego węgla.
Jednak inżynierowie opracowujący baterie grafenowe mają już dwa zasadniczo różne kierunki. W Stanach Zjednoczonych naukowcy zaproponowali wykonanie katody z przeplatanych ze sobą płyt grafenowych i krzemowych, a anody z klasycznego litowo-kobaltowego. Rosyjscy inżynierowie znaleźli inne rozwiązanie. Toksyczną i kosztowną sól litową można zastąpić bardziej przyjaznym dla środowiska i tanim tlenkiem magnezu. Pojemność baterii zwiększa się w każdym przypadku poprzez zwiększenie szybkości przechodzenia jonów z jednej elektrody do drugiej. Osiąga się to dzięki temu, że grafen ma wysoką przepuszczalność elektryczną i zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego.
Opinie naukowców na temat innowacji są podzielone: rosyjscy inżynierowie twierdzą, że baterie grafenowe mają dwukrotnie większą pojemność niż litowo-jonowe, ale ich zagraniczni koledzy twierdzą, że jest ona dziesięciokrotnie większa.
Baterie grafenowe zostały wprowadzone do masowej produkcji w 2015 roku. Na przykład zajmuje się tym hiszpańska firma Graphenano. Według producenta zastosowanie tych akumulatorów w pojazdach elektrycznych w placówkach logistycznych pokazuje realne praktyczne możliwości akumulatora z katodą grafenową. Pełne naładowanie zajmuje tylko osiem minut. Baterie grafenowe mogą również zwiększyć maksymalną długość pracy. Ładowanie przez 1000 km zamiast trzystu – to właśnie Graphenano Corporation chce zaoferować konsumentowi.
Hiszpania i Chiny
Graphenano współpracuje z chińską firmą Chint, która za 18 mln euro kupiła 10% udziałów w hiszpańskim koncernie. Wspólne środki zostaną przeznaczone na budowę zakładu z dwudziestoma liniami produkcyjnymi. Projekt otrzymał już około 30 mln inwestycji, które zostaną zainwestowane w instalację sprzętu i zatrudnienie pracowników. Zgodnie z pierwotnym planem zakład miał rozpocząć produkcję około 80 milionów akumulatorów. Na początkowym etapie głównym rynkiem powinny stać się Chiny, później zaplanowano rozpoczęcie dostaw do innych krajów.
W drugiej fazie Chint jest gotowy zainwestować 350 milionów euro w budowę kolejnego zakładu zatrudniającego około 5000 pracowników. Takie liczby nie dziwią, biorąc pod uwagę, że łączny dochód wyniesie około trzech miliardów euro. Ponadto znane z problemów środowiskowych Chiny otrzymają przyjazne dla środowiska i tanie „paliwo”. Jednak, jak widać, poza głośnymi wypowiedziami, świat niczego nie widział, a jedynie modele testowe. Chociaż Volkswagen Corporation również ogłosił zamiar współpracy z Graphenano.
Oczekiwania i rzeczywistość
Jest rok 2017, co oznacza, że Graphenano już od dwóch lat zajmuje się „masową” produkcją akumulatorów, ale spotkanie samochodu elektrycznego na drodze to rzadkość nie tylko dla Rosji. Wszystkie cechy i dane publikowane przez korporację są raczej niepewne. Ogólnie rzecz biorąc, nie wykraczają poza ogólnie przyjęte teoretyczne wyobrażenia o tym, jakie parametry powinna mieć bateria grafenowa do samochodu elektrycznego.
Poza tym do tej pory wszystko, co zostało zaprezentowane zarówno konsumentom, jak i inwestorom, to tylko modele komputerowe, a nie prawdziwe prototypy. Dodatkowym problemem jest fakt, że grafen jest materiałem bardzo drogim w produkcji. Mimo głośnych wypowiedzi naukowców o tym, jak można go „wydrukować na kolanie”, na tym etapie można obniżyć jedynie koszt niektórych podzespołów.
Grafen a rynek światowy
Zwolennicy wszelkiego rodzaju teorii spiskowych powiedzą, że nikt nie skorzysta na pojawieniu się takiego auta, bo wtedy ropa zejdzie na dalszy plan, co oznacza, że zmniejszą się też przychody z jego produkcji. Jednak najprawdopodobniej inżynierowie napotkali pewne problemy, ale nie chcą tego reklamować. Słowo „grafen” jest teraz słyszalne, wielu uważa je za to, być może naukowcy nie chcą zepsuć jego chwały.
Problemy w rozwoju
Może jednak chodzi o to, że materiał jest naprawdę nowatorski, więc podejście wymaga odpowiedniego podejścia. Być może baterie wykorzystujące grafen powinny zasadniczo różnić się od tradycyjnych baterii litowo-jonowych lub litowo-polimerowych.
Jest inna teoria. Graphenano Corporation powiedział, że nowe akumulatory można naładować w zaledwie osiem minut. Eksperci potwierdzają, że rzeczywiście jest to możliwe, tylko moc źródła zasilania musi wynosić co najmniej jeden megawat, co jest możliwe w warunkach testowych w fabryce, ale nie w domu. Budowa wystarczającej liczby stacji benzynowych o takiej pojemności będzie kosztować dużo pieniędzy, cena jednego ładowania będzie dość wysoka, więc grafenowa bateria do samochodu nie przyniesie żadnych korzyści.
Praktyka pokazuje, że rewolucyjne technologie od dawna integrują się z rynkiem światowym. Aby zapewnić bezpieczeństwo produktu, trzeba przeprowadzić wiele testów, dlatego wypuszczenie nowych urządzeń technologicznych jest czasami opóźnione o wiele lat.
Czytanie pytania trudnopisaka :
„Ciekawe byłoby dowiedzieć się o nowych technologiach akumulatorów, które są przygotowywane do masowej produkcji."
Cóż, oczywiście kryterium masowej produkcji jest nieco rozszerzalne, ale spróbujmy teraz dowiedzieć się, co jest obiecujące.
Oto, co wymyślili chemicy:
Napięcie ogniwa w woltach (w pionie) i właściwa pojemność katody (mAh/g) nowej baterii bezpośrednio po jej wyprodukowaniu (I), pierwszym rozładowaniu (II) i pierwszym ładowaniu (III) (ilustracja Hee Soo Kim et al./ Komunikacja przyrodnicza) .
Pod względem potencjału energetycznego akumulatory oparte na połączeniu magnezu i siarki są w stanie ominąć akumulatory litowe. Ale jak dotąd nikomu nie udało się zmusić tych dwóch substancji do współdziałania w ogniwie akumulatora. Teraz, z pewnymi zastrzeżeniami, udało się grupie specjalistów w USA.
Naukowcy z Instytutu Badawczego Toyoty w Ameryce Północnej (TRI-NA) próbowali rozwiązać główny problem stojący na drodze do stworzenia akumulatorów magnezowo-siarkowych (Mg/S).
Zaczerpnięte z Krajowego Laboratorium Pacific Northwest.
Niemcy wynaleźli baterię fluorkowo-jonową
Oprócz całej armii źródeł prądu elektrochemicznego naukowcy opracowali jeszcze jedną opcję. Jego deklarowane zalety to mniejsze zagrożenie pożarowe i dziesięciokrotnie większa pojemność właściwa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Chemicy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) opracowali koncepcję baterii opartą na fluorkach metali, a nawet przetestowali niektóre małe próbki laboratoryjne.
W takich akumulatorach za przenoszenie ładunków między elektrodami odpowiadają aniony fluoru. Anoda i katoda akumulatora zawierają metale, które w zależności od kierunku przepływu prądu (ładowanie lub rozładowywanie) zamieniają się kolejno w fluorki lub są z powrotem redukowane do metali.
„Ponieważ pojedynczy atom metalu może przyjmować lub oddawać wiele elektronów jednocześnie, koncepcja ta pozwala na ekstremalnie wysoką gęstość energii – nawet dziesięciokrotnie wyższą niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych” – mówi jeden z autorów opracowania, dr Maximilian Fichtner (Maksymilian Fichtner).
Aby przetestować pomysł, niemieccy badacze stworzyli kilka próbek takich baterii o średnicy 7 milimetrów i grubości 1 mm. Autorzy zbadali kilka materiałów elektrodowych (na przykład miedź i bizmut w połączeniu z węglem) i stworzyli elektrolit na bazie lantanu i baru.
Jednak taki stały elektrolit jest tylko etapem pośrednim. Ta kompozycja, która przewodzi jony fluoru, działa dobrze tylko w wysokich temperaturach. Dlatego chemicy szukają dla niego zamiennika - płynnego elektrolitu, który działałby w temperaturze pokojowej.
(Szczegóły można znaleźć w komunikacie prasowym instytutu oraz artykule w Journal of Materials Chemistry.)
Baterie przyszłościTo, co czeka rynek baterii w przyszłości, jest wciąż trudne do przewidzenia. Baterie litowe wciąż królują i mają duży potencjał dzięki rozwojowi polimerów litowych. Wprowadzenie pierwiastków srebrno-cynkowych to bardzo długi i kosztowny proces, a jego celowość jest nadal kwestią dyskusyjną. Technologie ogniw paliwowych i nanorurek od wielu lat są chwalone i opisywane w najpiękniejszy sposób, ale w praktyce produkty są albo zbyt duże, albo zbyt drogie, albo jedno i drugie. Jedno jest pewne – w najbliższych latach branża ta będzie się nadal aktywnie rozwijać, ponieważ popularność urządzeń przenośnych rośnie w zawrotnym tempie.
Równolegle z laptopami nastawionymi na żywotność baterii rozwija się kierunek laptopów stacjonarnych, w których bateria pełni raczej rolę zapasowego zasilacza UPS. Niedawno Samsung wypuścił podobny laptop bez baterii.
W NiCd-akumulatory posiadają również możliwość elektrolizy. Aby zapobiec gromadzeniu się w nich wybuchowego wodoru, baterie wyposażono w mikroskopijne zawory.
w renomowanym instytucie MIT Ostatnio dzięki wysiłkom specjalnie wyszkolonych wirusów opracowano unikalną technologię produkcji baterii litowych.
Pomimo tego, że ogniwo paliwowe wygląda zupełnie inaczej niż tradycyjny akumulator, działa na tych samych zasadach.
A kto jeszcze powie ci obiecujące kierunki?