Ka një bateri moderne me një të veçantë. E ardhmja e afërt e baterive të ringarkueshme

Makinat elektrike duhet të zgjidhin shumë probleme mjedisore. Nëse ngarkohen me energji elektrike nga burimet e rinovueshme, ato do të jenë praktikisht të padëmshme për atmosferën. Sigurisht, nëse nuk merrni parasysh prodhimin e tyre teknologjikisht kompleks. Dhe të shkosh në tërheqje elektrike pa zhurmën e zakonshme të motorit është thjesht më e këndshme. Sherri i vazhdueshëm mbetet ende një sherr për shkak të gjendjes së ngarkimit të baterisë. Në fund të fundit, nëse bie në zero dhe nuk ka një stacion të vetëm karikimi aty pranë, atëherë problemet nuk do të shmangen.

Ekzistojnë gjashtë faktorë vendimtar për suksesin e makinave elektrike që mundësohen nga bateri të rimbushshme. Para së gjithash, ne po flasim për kapacitetin - domethënë sa energji elektrike mund të ruajë bateria, sasinë e përdorimit ciklik të baterisë - domethënë "shkarkimin e ngarkesës" që bateria mund të përballojë para dështimit dhe rimbushjen koha - domethënë, sa kohë shoferi do të duhet të presë, duke e ngarkuar makinën për të ecur më tej.

Besueshmëria e baterisë në vetvete është po aq e rëndësishme. Le të themi nëse ai mund të përballojë një udhëtim në malësi ose një udhëtim në sezonin e nxehtë të verës. Sigurisht, kur vendosni nëse blini një makinë elektrike, gjithashtu duhet të merrni parasysh një faktor të tillë si numri i stacioneve të karikimit dhe çmimi i baterive.

Sa larg mund të shkoni me bateri?

Makinat elektrike të pasagjerëve në treg sot mbulojnë distanca nga 150 në më shumë se 200 kilometra me një pagesë të vetme. Në parim, këto distanca mund të rriten duke dyfishuar ose trefishuar numrin e baterive. Por, së pari, tani do të ishte aq e shtrenjtë sa blerja e një makine elektrike do të ishte e padurueshme, dhe së dyti, veturat elektrike vetë do të bëheshin shumë më të rënda, kështu që ato do të duhej të projektoheshin, duke u mbështetur në ngarkesa të rënda. Dhe kjo bie ndesh me qëllimet e ndjekura nga prodhuesit e makinave elektrike, përkatësisht, lehtësinë e ndërtimit.

Për shembull, Daimler kohët e fundit prezantoi një kamion elektrik që mund të udhëtojë deri në 200 kilometra me një karikim të vetëm. Sidoqoftë, vetë bateria peshon të paktën dy tonë. Por motori është shumë më i lehtë se ai i një kamioni me naftë.

Cilat bateri dominojnë tregun?

Bateritë moderne, qofshin ato celularë, laptopë apo makina elektrike, janë pothuajse ekskluzivisht variante të të ashtuquajturave bateri litium-jon. Ne po flasim për një shumëllojshmëri të llojeve të baterive, ku litiumi i metalit alkali gjendet si në elektroda pozitive ashtu edhe negative, dhe në një lëng - të ashtuquajturit elektrolit. Në mënyrë tipike, elektroda negative është bërë nga grafit. Në varësi të materialeve të tjera që përdoren në elektrodën pozitive, ka, për shembull, litium-kobalt (LiCoO2), litium-titan (Li4Ti5O12) dhe litium-hekur-fosfat bateri (LiFePO4).

Bateritë polimer litium luajnë një rol të veçantë. Këtu, një plastikë e ngjashme me xhel vepron si një elektrolit. Këto bateri janë më të fuqishmet në treg sot, me një kapacitet energjie deri në 260 vat-orë për kilogram. Pjesa tjetër e baterive litium-jon janë të afta për një maksimum prej 140 deri në 210 vat-orë për kilogram.

Dhe nëse krahasoni llojet e baterive?

Bateritë litium-jon janë shumë të shtrenjta, kryesisht për shkak të vlerës së lartë të tregut të litiumit. Sidoqoftë, ka shumë përparësi mbi llojet e mëparshme të baterive të bëra nga plumbi dhe nikeli.

Përveç kësaj, bateritë litium-jon ngarkohen mjaft shpejt. Kjo do të thotë që me një rrymë normale nga rrjeti elektrik, makina elektrike mund të rimbushet në dy deri në tre orë. Dhe në stacione speciale të ngarkimit të shpejtë, mund të zgjasë një orë.

Llojet e vjetra të baterive nuk kanë përparësi të tilla dhe ato mund të ruajnë shumë më pak energji. Bateritë me bazë nikeli kanë një kapacitet energjie prej 40 deri në 60 vat-orë për kilogram. Karakteristikat janë edhe më të këqija në bateritë me acid plumbi-kapaciteti i energjisë në to është rreth 30 vat-orë për kilogram. Sidoqoftë, ato janë shumë më të lira dhe mund të përballojnë shumë vite funksionim pa probleme.

Sa zgjasin bateritë moderne?

Shumë njerëz mbajnë mend të ashtuquajturin efekt memorie të baterisë ruajtëse në bateritë e vjetra. Ajo u shfaq më së shumti në bateritë e nikelit. Pastaj, nëse dikush mendonte të ngarkonte një kaçavidë ose bateri laptopi, megjithëse bateria ishte pothuajse gjysma e ngarkuar, aftësia për të ruajtur energjinë elektrike ishte ulur çuditërisht. Prandaj, para çdo procesi të karikimit, energjia duhej të konsumohej plotësisht. Për automjetet elektrike, kjo do të ishte një fatkeqësi, pasi ato duhet të rimbushen saktësisht kur janë në një distancë të përshtatshme nga stacioni i karikimit, dhe jo kur bateria të mbarojë.

Por bateritë litium-jon nuk e kanë këtë "efekt kujtese". Prodhuesit premtojnë deri në 10.000 cikle ngarkimi-shkarkimi dhe 20 vjet funksionim pa probleme. Në të njëjtën kohë, përvoja e konsumatorit shpesh dëshmon për diçka tjetër - bateritë e laptopit "vdesin" pas disa vitesh funksionimi. Përveç kësaj, faktorët e jashtëm, të tillë si temperaturat ekstreme ose shkarkimi ose ngarkimi i tepërt, mund të dëmtojnë përgjithmonë bateritë. Shumë e rëndësishme në bateritë moderne të magazinimit është funksionimi i pandërprerë i pajisjeve elektronike që kontrollojnë procesin e krijimit.

A janë super-akumuluesit vetëm një frazë boshe?

Ekspertët nga Qendra Kërkimore Jülich po punojnë në zhvillimin e baterive silikoni-ajër. Ideja e akumuluesve të ajrit nuk është aq e re. Pra, më parë ata u përpoqën të zhvillonin bateri litium-ajër, në të cilat elektroda pozitive do të përbëhej nga një grilë karboni nanokristaline. Në këtë rast, vetë elektroda nuk merr pjesë në procesin elektrokimik, por vepron vetëm si një përcjellës në sipërfaqen e të cilit zvogëlohet oksigjeni.

Bateritë silikoni-ajër punojnë në të njëjtën mënyrë. Sidoqoftë, ata kanë avantazhin e të qenit të përbërë nga silic shumë i lirë, i cili gjendet në sasi pothuajse të pakufizuar në natyrë në formën e rërës. Për më tepër, silikoni përdoret në mënyrë aktive në teknologjinë gjysmëpërçuese.

Përveç kostos potencialisht të ulët të prodhimit, karakteristikat teknike të akumulatorëve të ajrit janë gjithashtu, në shikim të parë, mjaft tërheqës. Në fund të fundit, ata mund të arrijnë një kapacitet të tillë energjie që tejkalon treguesit e sotëm trefish, apo edhe dhjetë herë.

Sidoqoftë, këto zhvillime janë ende larg hyrjes në treg. Problemi më i madh është "jetëgjatësia" e pakënaqshme e shkurtër e baterive të ajrit. Wellshtë shumë nën 1000 cikle ngarkimi-shkarkimi. Eksperimenti i studiuesve të Jülich jep pak shpresë. Ata zbuluan se jeta e shërbimit të baterive të tilla mund të rritet ndjeshëm nëse elektroliti në këto bateri mbushet rregullisht. Por edhe me zgjidhje të tilla teknike, këto bateri nuk do të arrijnë as një pjesë të jetës së funksionimit që kanë bateritë e sotme litium-jon.

Dhe sot do të flasim për ato imagjinare - me një kapacitet gjigant specifik dhe karikim të menjëhershëm. Lajmet për zhvillime të tilla shfaqen me rregullsi të lakmueshme, por e ardhmja ende nuk ka ardhur, dhe ne ende përdorim bateritë litium-jon që u shfaqën në fillim të dekadës para fundit, ose analogët e tyre pak më të avancuar litium-polimer. Pra, çfarë është çështja, vështirësitë teknologjike, keqinterpretimi i fjalëve të shkencëtarëve, apo diçka tjetër? Le të përpiqemi ta kuptojmë.

Ndjekja e shpejtësisë së karikimit

Një nga parametrat e baterisë që shkencëtarët dhe kompanitë e mëdha po përpiqen vazhdimisht të përmirësojnë është shpejtësia e karikimit. Sidoqoftë, nuk do të jetë e mundur të rritet pafundësisht as për shkak të ligjeve kimike të reaksioneve që ndodhin në bateri (veçanërisht pasi zhvilluesit e baterive alumini-jon kanë deklaruar tashmë se ky lloj baterie mund të ngarkohet plotësisht vetëm në një e dyta), por për shkak të kufizimeve fizike. Supozoni se kemi një smartphone me një bateri 3000 mAh dhe mbështetje për karikim të shpejtë. Ju mund ta ngarkoni plotësisht një vegël të tillë brenda një ore me një rrymë mesatare prej 3 A (mesatarisht, sepse tensioni ndryshon gjatë karikimit). Sidoqoftë, nëse duam të marrim një ngarkesë të plotë në vetëm një minutë, ne kemi nevojë për një forcë aktuale prej 180 A pa marrë parasysh humbjet e ndryshme. Për të ngarkuar pajisjen me një rrymë të tillë, do t'ju duhet një tel me një diametër prej rreth 9 mm - dy herë më i trashë se vetë smartphone. Po, dhe një rrymë prej 180 A në një tension prej rreth 5 V, një ngarkues i zakonshëm nuk do të jetë në gjendje të japë: pronarët e telefonave inteligjentë do të kenë nevojë për një konvertues të rrymës së pulsit si ai i treguar në foton më poshtë.

Një alternativë për rritjen e amperazhit është rritja e tensionit. Por është, si rregull, fikse, dhe për bateritë litium -jon është 3.7 V. Sigurisht, mund të tejkalohet - karikimi duke përdorur teknologjinë Quick Charge 3.0 vjen me një tension deri në 20 V, por një përpjekje për të ngarkuar bateria me një tension prej rreth 220 V është e padobishme nuk do të çojë në mirë, dhe nuk është e mundur të zgjidhet ky problem në të ardhmen e afërt. Bateritë moderne thjesht nuk mund ta përdorin këtë tension.

Akumuluesit e përjetshëm

Sigurisht, tani nuk po flasim për një "makinë lëvizëse të përhershme", por për bateri me një jetë të gjatë shërbimi. Bateritë moderne litium-jon për telefonat inteligjentë mund të përballojnë një maksimum prej dy vitesh përdorimi aktiv të pajisjeve, pas së cilës kapaciteti i tyre po zvogëlohet vazhdimisht. Pronarët e telefonave inteligjentë me bateri të lëvizshme janë pak më me fat se të tjerët, por në këtë rast ia vlen të siguroheni që bateria është prodhuar kohët e fundit: bateritë litium-jon degradojnë edhe kur nuk janë në përdorim.

Shkencëtarët në Universitetin Stanford propozuan zgjidhjen e tyre për këtë problem: për të mbuluar elektrodat e llojeve ekzistuese të baterive litium-jon me një material polimer me shtimin e nanoprimcave të grafitit. Sipas idesë së shkencëtarëve, kjo do të mbrojë elektrodat, të cilat në mënyrë të pashmangshme mbulohen me mikrokrime gjatë operimit, dhe të njëjtat mikrokrime në materialin polimer do të shërohen më vete. Parimi i këtij materiali është i ngjashëm me teknologjinë e përdorur në smartphone LG G Flex me një mbulesë të pasme të vetë-shërimit.

Kalimi në dimensionin e tretë

Në vitin 2013, u raportua se studiuesit në Universitetin e Illinois po zhvillonin një lloj të ri të baterive litium-jon. Shkencëtarët deklaruan se fuqia specifike e baterive të tilla do të jetë deri në 1000 mW / (cm * mm), ndërsa fuqia specifike e baterive konvencionale litium-jon varion midis 10-100 mW / (cm * mm). Ne përdorëm njësi të tilla të matjes, pasi ne po flasim për struktura mjaft të vogla me një trashësi prej dhjetëra nanometrash.

Në vend të një anode dhe katode të sheshtë të përdorura në bateritë tradicionale Li-Jon, shkencëtarët propozuan përdorimin e strukturave tre-dimensionale: një grilë kristali të sulfurit të nikelit në nikel poroz si një anodë dhe dioksid mangani litiumi në nikel poroz si katodë.

Përkundër të gjitha dyshimeve të shkaktuara nga mungesa e parametrave të saktë të baterive të reja në njoftimet e para për shtyp, si dhe prototipeve që ende nuk janë paraqitur, lloji i ri i baterive është akoma i vërtetë. Kjo konfirmohet nga disa artikuj shkencorë mbi këtë temë, të botuar gjatë dy viteve të fundit. Sidoqoftë, nëse bateri të tilla bëhen të disponueshme për përdoruesit përfundimtarë, kjo do të jetë shumë kohë më parë.

Karikimi përmes ekranit

Shkencëtarët dhe inxhinierët po përpiqen të zgjasin jetën e pajisjeve tona jo vetëm duke kërkuar lloje të reja të baterive ose duke rritur efikasitetin e tyre të energjisë, por edhe në mënyra mjaft të pazakonta. Hulumtuesit e Universitetit Shtetëror të Miçiganit kanë propozuar vendosjen e paneleve diellore transparente direkt në një ekran. Meqenëse parimi i funksionimit të paneleve të tillë bazohet në thithjen e rrezatimit diellor prej tyre, për t'i bërë ato transparente, shkencëtarët duhej të shkonin për një truk: materiali i paneleve të një lloji të ri thith vetëm rrezatimin e padukshëm (infra të kuqe dhe ultravjollcë), pas së cilës fotonet, të reflektuara nga skajet e gjera të xhamit, absorbohen nga vija të ngushta panele diellore të tipit tradicional, të vendosura përgjatë skajeve të tij.

Pengesa kryesore për futjen e një teknologjie të tillë është efikasiteti i ulët i paneleve të tilla - vetëm 1% kundrejt 25% të paneleve diellore tradicionale. Tani shkencëtarët po kërkojnë mënyra për të rritur efikasitetin me të paktën 5%, por vështirë se mund të pritet një zgjidhje e shpejtë për këtë problem. Nga rruga, një teknologji e ngjashme u patentua kohët e fundit nga Apple, por ende nuk dihet se ku saktësisht në pajisjet e tij prodhuesi do të vendosë panele diellore.

Para kësaj, ne nënkuptonim një bateri të rimbushshme nën fjalët "bateri" dhe "akumulator", por disa studiues besojnë se burimet e disponueshme të tensionit mund të përdoren në vegla. Si bateri që mund të funksionojnë pa rimbushje ose mirëmbajtje të tjera për disa vjet (apo edhe disa dekada), shkencëtarët në Universitetin e Misurit propozuan përdorimin e RTG -ve - gjeneratorë termoelektrikë radioizotopikë. Parimi i funksionimit të RTG bazohet në shndërrimin e nxehtësisë së lëshuar gjatë prishjes së radios në energji elektrike. Shumë instalime të tilla janë të njohura për përdorimin e tyre në hapësirë dhe vende të vështira për t'u arritur në Tokë, por në Shtetet e Bashkuara, bateri radioizotopi miniaturë u përdorën gjithashtu në stimuluesit kardiakë.

Puna në një lloj të përmirësuar të baterive të tilla ka vazhduar që nga viti 2009, madje janë treguar edhe prototipe të baterive të tilla. Por ne nuk do të jemi në gjendje të shohim bateri radioizotopi në telefonat inteligjentë në të ardhmen e afërt: ato janë të shtrenjta për t'u prodhuar, dhe, përveç kësaj, shumë vende kanë kufizime të rrepta në prodhimin dhe qarkullimin e materialeve radioaktive.

Qelizat e hidrogjenit gjithashtu mund të përdoren si bateri të disponueshme, por ato nuk mund të përdoren në telefonat inteligjentë. Bateritë e hidrogjenit konsumohen mjaft shpejt: megjithëse pajisja juaj do të zgjasë më shumë në një fishek sesa në një ngarkim të vetëm të një baterie të zakonshme, ato do të duhet të zëvendësohen periodikisht. Sidoqoftë, kjo nuk pengon përdorimin e baterive të hidrogjenit në automjetet elektrike dhe madje edhe bateritë e jashtme: deri më tani këto nuk janë pajisje masive, por ato nuk janë më prototipe. Dhe Apple, sipas thashethemeve, tashmë është duke zhvilluar një sistem për rimbushjen e fishekëve me hidrogjen pa i zëvendësuar ato për përdorim në iPhone -et e ardhshëm.

Ideja se një bateri me një kapacitet të lartë specifik mund të krijohet në bazë të grafenit u paraqit në vitin 2012. Dhe kështu, në fillim të këtij viti në Spanjë, u njoftua se u njoftua ndërtimi nga Graphenano i një fabrike për prodhimin e baterive grafene-polimer për automjetet elektrike. Lloji i ri i baterive është pothuajse katër herë më i lirë në prodhim sesa bateritë tradicionale litium-polimer, ka një kapacitet specifik prej 600 Wh / kg, dhe do të jetë e mundur të ngarkoni një bateri të tillë 50 kWh në vetëm 8 minuta. Vërtetë, siç thamë në fillim, kjo do të kërkojë një fuqi prej rreth 1 MW, kështu që një tregues i tillë është i arritshëm vetëm në teori. Se kur saktësisht fabrika do të fillojë prodhimin e baterive të para grafen-polimer nuk raportohet, por është mjaft e mundshme që Volkswagen të jetë ndër blerësit e produkteve të saj. Shqetësimi tashmë ka njoftuar planet për të prodhuar automjete elektrike me një rreze deri në 700 kilometra nga një karikim i vetëm i baterisë deri në vitin 2018.

Sa i përket pajisjeve mobile, deri më tani përdorimi i baterive grafene-polimer në to pengohet nga dimensionet e mëdha të baterive të tilla. Le të shpresojmë që kërkimet në këtë fushë do të vazhdojnë, sepse bateritë grafene-polimer janë një nga llojet më premtuese të baterive që mund të shfaqen në vitet e ardhshme.

Pra, pse, përkundër gjithë optimizmit të shkencëtarëve dhe lajmeve që shfaqen rregullisht në lidhje me përparimet në fushën e ruajtjes së energjisë, tani po shohim stanjacion? Para së gjithash, çështja është pritjet tona të larta, të cilat ushqehen vetëm nga gazetarët. Ne duam të besojmë se një revolucion në botën e baterive do të ndodhë, dhe ne do të marrim një bateri me një ngarkim në më pak se një minutë, dhe një jetë praktikisht të pakufizuar shërbimi, nga e cila një smartphone modern me tetë bërthama procesori do të punojë për të paktën një javë. Por përparime të tilla, mjerisht, nuk ndodhin. Futja e çdo teknologjie të re në prodhimin masiv paraprihet nga shumë vite kërkime shkencore, testimi i mostrës, zhvillimi i materialeve të reja dhe proceseve teknologjike dhe punë të tjera që kërkojnë shumë kohë. Në fund të fundit, u deshën të njëjtat bateri litium-jon rreth pesë vjet për të kaluar nga prototipet inxhinierike në pajisjet e përfunduara që mund të përdoren në telefona.

Prandaj, ne mund të jemi vetëm të durueshëm dhe të mos i marrim me zemër lajmet për elementët e rinj të ushqimit. Të paktën derisa të ketë lajme për fillimin e tyre në prodhimin masiv, kur nuk ka dyshim për qëndrueshmërinë e teknologjisë së re.

Hulumtuesit në Universitetin e Teksasit në Austin, të udhëhequr nga profesori John Goodenough, 94 vjeç, kanë zhvilluar një lloj të ri të baterive me gjendje të ngurtë. Interesante, është John Goodenough ai që është një nga krijuesit e baterive moderne litium-jon. Në 1983, ai dhe kolegët e tij propozuan përdorimin e kobaltitit të litiumit si katodë në bateritë litium-jon. Teknologjia e re siguron një bateri plotësisht të ngurtë me siguri, qëndrueshmëri dhe shpejtësi më të lartë të karikimit sesa bateritë tradicionale.

"Kostoja, siguria, dendësia e energjisë, normat e karikimit dhe shkarkimit dhe jetëgjatësia janë metrikë kritike për bateritë në automjetet elektrike që mund të nxisin rritjen e popullaritetit të tyre. Ne besojmë se zbulimi ynë zgjidh shumë nga problemet e qenësishme në bateritë moderne, "tha John Goodenough.

Bateritë e reja kanë të paktën tre herë densitetin e energjisë të baterive moderne litium-jon. Për automjetet elektrike, kjo do të thotë që ata do të jenë në gjendje të udhëtojnë një distancë më të madhe me një karikim të vetëm, dhe telefonat inteligjentë do të jenë në gjendje të mburren me autonomi të lartë. Përveç dendësisë së shtuar të energjisë, bateritë e reja gjithashtu ruajnë kapacitetin e tyre gjatë një numri më të madh të cikleve të ngarkimit (deri në 1.200 cikle), dhe koha e ngarkimit të tyre llogaritet jo në orë, por në minuta.

Bateritë moderne litium-jon përdorin elektrolite të lëngëta për të lëvizur jonet e litiumit midis anodës dhe katodës. Nëse ngarkohet shumë shpejt, mund të ndodhë një qark i shkurtër, i cili shpesh shoqërohet me një shpërthim. Hulumtuesit nga Universiteti i Teksasit përdorën elektrolite qelqi në vend të elektroliteve të lëngëta - ato lejojnë përdorimin e një anode metalike alkali (litium, natrium ose kalium) pa mundësinë e formimit të dendriteve.

Një avantazh tjetër i përdorimit të elektroliteve të qelqit në vend të elektroliteve të lëngëta është se ato mund të funksionojnë pa probleme në temperaturat nën zero. Përveç kësaj, të gjithë elementët e një baterie të tillë mund të bëhen nga materiale miqësore me mjedisin.

Fatkeqësisht, si në rastin me teknologjitë e tjera premtuese për prodhimin e baterive, nuk flitet për një përdorim komercial të këtij zhvillimi.

Shpikësi i baterive litium-jon prezantoi një lloj të ri të baterive
Shpikësi i baterive litium-jon prezantoi një lloj të ri të baterive

Studiuesit në Universitetin e Teksasit në Austin kanë krijuar bateri me gjendje të ngurtë që duhet të jenë një alternativë më efikase dhe plotësisht e sigurt për bateritë litium-jon. Zhvillimi po udhëhiqet nga shpikësi 94-vjeçar John Goodenough, i cili bashkë-themeloi baterinë litium-jon gati tre dekada më parë.

Siç zbuluan eksperimentuesit, lloji i ri i baterive ka tre herë më shumë kapacitet energjie, karikohet më shpejt, përballon temperaturat deri në -60 ° C, nuk shpërthen nga mbinxehja ose dëmtimi i guaskës dhe nuk dëmton mjedisin kur hidhen Me Si një material për ruajtjen e energjisë elektrike, një bateri e tillë përdor litium jo të rrallë dhe të shtrenjtë, por natrium të lirë, i cili mund të nxirret nga uji i detit në të njëjtën mënyrë si kripa.

Bateritë litium-jon përdoren gjerësisht në pothuajse të gjitha llojet e pajisjeve elektronike. Parimi i funksionimit të tyre bazohet në lëvizjen e joneve të një elektroliti të lëngshëm midis anodës dhe katodës. Nëse bateria ngarkohet shumë shpejt, "degët" e litiumit mund të formohen në bateri, gjë që çon në një rënie të kapacitetit, një qark të shkurtër dhe madje edhe një shpërthim të baterisë. Xhami shërben si elektrolit në baterinë e re Goodenough, e cila lejon që metalet alkali (të tilla si natriumi ose kaliumi) të përdoren si një anodë, të cilat nuk formojnë procese. Rreziku i zjarrit për një bateri të tillë është afër zeros.

"Kostoja, siguria, dendësia e energjisë, shpejtësia e karikimit dhe jeta e baterisë janë metrikë kritike për adoptimin e vazhdueshëm të automjeteve elektrike. Ne besojmë se teknologjia jonë do të ndihmojë në zgjidhjen e shumë prej problemeve që u nënshtrohen baterive moderne, "komentoi John Goodenough për shpikjen e tij.

Goodenough nuk është i pari që vendos të zëvendësojë një elektrolit të lëngshëm me një gjendje të ngurtë. Para tij, studiuesit nga Instituti i Teknologjisë në Masaçusets u përfshinë në eksperimente të ngjashme. Ata përdorën sulfide, por zbuluan se ky material është shumë i brishtë, kështu që bateritë e bazuara në të nuk mund të përdoren në teknologji portative dhe automjete elektrike.

Bateritë litium-jon janë përdorur në elektronikë që nga fillimi i viteve nëntëdhjetë dhe pothuajse kanë zëvendësuar të gjitha llojet e tjera të baterive. Për 25 vjet, një përparim domethënës në këtë teknologji nuk është arritur - efikasiteti energjetik i baterive të tilla, edhe pse në rritje, është shumë i ngadalshëm. Problemet e tyre kryesore janë rreziku i një shpërthimi në çdo moment pa ndonjë arsye të dukshme dhe një humbje graduale e kapacitetit nominal nga mbingarkesa në rraskapitje të plotë.

Një lloj i ri i baterisë nga shpikësi i baterisë litium-jon
Studiuesit në Universitetin e Teksasit në Austin kanë krijuar bateri me gjendje të ngurtë që duhet të jenë një alternativë më efikase dhe plotësisht e sigurt për bateritë litium-jon.

Bateritë konvencionale të këtij lloji janë të pajisura me një katodë karboni, në poret e të cilit ruhet oksigjeni atmosferik, i cili luan rolin e një materiali aktiv. Gjatë shkarkimit, kationet e litiumit lëvizin nga anoda e litiumit përmes elektrolitit dhe reagojnë me oksigjenin, duke formuar (në mënyrë ideale) peroksid litiumi Li 2 O 2, i cili mbahet në katodë, dhe elektronet shkojnë nga anoda në katodë përmes qarkut të ngarkesës Me Përparësia e mostrave të litium-ajrit mbi litium-jonin tradicional është densiteti më i lartë i arritshëm i energjisë.

Performanca e baterive litium-ajër ndikohet nga shumë faktorë: lagështia relative, presioni i pjesshëm i oksigjenit, përbërja e elektroliteve, përzgjedhja e katalizatorit dhe paraqitja e përgjithshme e pajisjes. Duhet gjithashtu të merret parasysh se produktet e reagimit (Li 2 O 2) të depozituara në elektrodën e karbonit bllokojnë rrugët e depërtimit të oksigjenit, duke kufizuar kapacitetin. Prandaj, një elektrodë ajri e konfigurimit optimal duhet të ketë pore me madhësi mikro, të cilat sigurojnë kalim të lirë të oksigjenit, dhe zgavra me madhësi nano, të cilat krijojnë një dendësi të mjaftueshme të vendeve për reagimet Li-O2.

Skema e një fletë grafeni të funksionalizuar me grupe funksionale në të dy anët dhe skajet dhe defekte të grilës që bëhen vende energjetikisht të favorshme për kapjen e produkteve të reagimit (Li 2 O 2). Defektet theksohen në të verdhë dhe vjollcë, atomet e karbonit - gri, oksigjen - të kuq, hidrogjen - të bardhë. Struktura poroze ideale e një elektrodë ajri është treguar në të djathtë. (Në vazhdim, ilustrime nga revista Nano Letters.)

Fletët e grafenit të funksionalizuara të marra nga trajtimi termik i oksidit të grafitit u përdorën për të krijuar elektroda të reja. Raporti fillestar C / O i oksidit është afërsisht i barabartë me dy, por mbajtja në 1050 ˚C për vetëm 30 sekonda lejon që ai të rritet në

15 për shkak të lirimit të CO 2. Pas largimit të dioksidit të karbonit, fletët fitojnë defekte grilë, të cilat kontribuojnë në formimin e grimcave të izoluara të nanosized Li 2 O 2 që nuk bllokojnë hyrjen e oksigjenit gjatë funksionimit të baterisë.

Fletët e përgatitura u vendosën në një tretësirë mikroemulsioni që përmbante lidhës. Pas tharjes, elektroda fitoi një strukturë të pazakontë të brendshme, në të cilën dallohen elementë në formë veze të paketuara lirshëm. Kalime të gjera u vendosën midis tyre, dhe "guaska" e elementeve përmbante pore të shumta nanosize. Me fjalë të tjera, dizajni i elektrodës ishte afër atij optimal.

Elektroda grafeni: sipër - sapo të bëra, poshtë - pas shkarkimit. Shigjetat shënojnë grimcat Li 2 O 2. Dimensionet janë në mikrometra.

Në eksperimentet, bateritë litium-ajër me elektroda grafeni (pa katalizator) demonstruan një kapacitet rekord të lartë prej 15,000 mAh për gram karboni. Ne vërejmë se rezultate të tilla u arritën në një atmosferë të pastër O 2; në ajër, kapaciteti ulet ndjeshëm, pasi uji ndërhyn në funksionimin e pajisjes. Autorët tashmë po mendojnë për modelin e membranës, e cila garanton mbrojtje nga uji, por do të lejojë kalimin e oksigjenit të nevojshëm.

"Ne gjithashtu duam ta bëjmë baterinë plotësisht të rimbushshme," thotë udhëheqësi i ekipit Ji-Guang Zhang. "Kjo do të kërkojë një elektrolit të ri dhe një katalizator të ri, dhe ato janë ato që na interesojnë tani."

Lakorja e shkarkimit të një baterie litium-ajër me një elektrodë grafeni.

Gjermanët shpikën baterinë e fluorit-jonit

Përveç një ushtrie të tërë burimesh elektrokimike aktuale, shkencëtarët kanë zhvilluar një mundësi tjetër. Përparësitë e tij të deklaruara janë më pak rrezik zjarri dhe dhjetë herë më shumë kapacitet specifik sesa bateritë litium-jon.

Kimistët në Institutin e Teknologjisë në Karlsruhe (KIT) kanë propozuar konceptin e baterive të bazuara në fluoride metalike dhe madje kanë testuar disa mostra të vogla laboratorike.

Në bateri të tilla, anionet e fluorit janë përgjegjës për transferimin e ngarkesës midis elektrodave. Anoda dhe katoda e baterisë përmbajnë metale, të cilat, në varësi të drejtimit të rrymës (ngarkimi ose shkarkimi), shndërrohen nga ana tjetër në fluoride ose reduktohen përsëri në metale.

"Për shkak se një atom i vetëm metalik mund të pranojë ose dhurojë elektrone të shumta në të njëjtën kohë, ky koncept arrin densitet jashtëzakonisht të lartë të energjisë-deri në dhjetë herë më shumë se bateritë konvencionale litium-jon," thotë bashkëautori Dr. Maximilian Fichtner.

Për të testuar idenë, studiuesit gjermanë krijuan disa mostra të baterive të tilla me një diametër prej 7 milimetra dhe një trashësi prej 1 mm. Autorët studiuan disa materiale për elektroda (bakër dhe bismut në kombinim me karbon, për shembull), dhe krijuan një elektrolit të bazuar në lanthanum dhe barium.

Sidoqoftë, një elektrolit i tillë i ngurtë është vetëm një hap i ndërmjetëm. Ky përbërës jon fluor përçues funksionon mirë vetëm në temperatura të larta. Prandaj, kimistët po kërkojnë një zëvendësim për të - një elektrolit të lëngshëm që do të veprojë në temperaturën e dhomës.

(Detajet mund të gjenden në njoftimin për shtyp të institutit dhe në artikullin e Journal of Materials Chemistry.)

Difficultshtë e vështirë të parashikohet se çfarë do të mbajë tregu i baterive në të ardhmen. Bateritë e litiumit janë ende në krye, dhe ato kanë shumë potencial falë zhvillimeve të polimerit të litiumit. Futja e elementeve argjend-zink është një proces shumë i gjatë dhe i shtrenjtë, dhe përshtatshmëria e tij është ende një çështje e diskutueshme. Teknologjitë e qelizave të karburantit dhe nanotubat janë vlerësuar dhe përshkruar me fjalët më të bukura për shumë vite, por kur bëhet fjalë për praktikën, produktet aktuale janë ose shumë të mëdha ose shumë të shtrenjta, ose të dyja. Vetëm një gjë është e qartë - në vitet e ardhshme kjo industri do të vazhdojë të zhvillohet në mënyrë aktive, sepse popullariteti i pajisjeve portative po rritet me hapa të mëdhenj.

Paralelisht me fletoret e fokusuara në funksionimin autonom, po zhvillohet drejtimi i laptopëve desktop, në të cilët bateria luan rolin e një UPS rezervë. Samsung kohët e fundit lëshoi një laptop të ngjashëm pa bateri fare.

V NiCd-akumulatorët gjithashtu kanë mundësinë e elektrolizës. Për të parandaluar që hidrogjeni shpërthyes të grumbullohet në to, bateritë janë të pajisura me valvola mikroskopikë.

Në institutin e famshëm MIT Kohët e fundit, një teknologji unike për prodhimin e baterive litium u zhvillua nga përpjekjet e viruseve të trajnuar posaçërisht.

Përkundër faktit se qeliza e karburantit duket krejtësisht e ndryshme nga një bateri tradicionale, ajo funksionon sipas të njëjtave parime.

Kush tjetër mund të sugjerojë disa drejtime premtuese?

Janë prodhuar elektroda premtuese grafeni për bateritë litium-ajër
Unë vazhdoj të përmbush dëshirat e miqve të mi nga TABELA E POROSIS së Tetorit. Ne lexojmë pyetjen e trudnopisaka: Do të ishte interesante të dinim për teknologjitë e reja të baterive që po përgatiten për prodhim masiv. Epo, natyrisht, kriteri për prodhimin masiv është disi i zgjerueshëm, por ...

Komunitetet cars Makina elektrike ›Blog› Bateri të reja me kapacitet 20 herë të rritur.

Çeke Jan Prochazka krijoi një lloj baterie revolucionare, prodhimi i të cilit tani është gati të financohet nga investitorët më të mëdhenj në botë.

Bateria e re 3D ndryshon nga mostrat e njohura më parë në mënyrën e prodhimit të saj. Gjë është se në baterinë e re qelizat galvanike janë rregulluar horizontalisht në formën e pllakave në kornizë, dhe jo vertikalisht në formën e filmave metalikë me shtresa aktive, siç është rasti me bateritë litium.
Kjo teknologji ndihmon në uljen e kostove të prodhimit, prandaj, çmimi në krahasim me litiumin do të jetë më i ulët.

Teknologjia e re për krijimin e baterive lejon jo vetëm rritjen e kapacitetit të tyre me të paktën 20 herë, por gjithashtu siguron rimbushje më të shpejtë të baterisë.

Bateritë e reja me kapacitet ultra të lartë janë në gjendje të zgjidhin problemin kryesor të energjisë alternative-ruajtjen afatgjatë të energjisë së grumbulluar. Për më tepër, ato mund të përdoren në automjete elektrike - si rezultat, diapazoni i lundrimit do të rritet ndjeshëm.

Patenta për baterinë 3D i përket kompanisë HE3DA, e cila drejtohet nga krijuesi i baterisë së re, Jan Prochazk. Për momentin, në punëtorinë e tij në Letnяany, ai ka prodhuar 160 kopje.

Shpikja Çeke tërhoqi një numër të madh investitorësh të mëdhenj nga Gjermania dhe Sllovakia. Sidoqoftë, më interesanti ishte propozimi i investitorit privat miliarder kinez Hu Yuanping.

Kinezët kanë bërë një depozitë të pakthyeshme prej 5 milionë eurosh dhe është gati të paguajë 50 milionë euro të tjera për 49% të aksioneve në HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Por bujaria e miliarderit kinez nuk përfundon as këtu, në të ardhmen ai planifikon të investojë edhe 50 milionë euro të tjera nëse projekti dëshmohet mirë.

Fabrika e parë për prodhimin e baterive 3D do të shfaqet në veri të Moravisë në qytetin Horní Sucha, dhe më vonë prodhimi masiv gjithashtu do të organizohet në Kinë.

Shpikja e Prochazka jo vetëm që do të bëjë magazinimin e energjisë së marrë nga termocentralet e erës dhe diellit, por gjithashtu mund të përdoret në automjetet elektrike, gjë që do t'i bëjë ato edhe më të njohura.

* kontrollues negativ i përfshirë për komente

Komunitetet cars Makina elektrike ›Blog› Bateri të reja me kapacitet 20 herë të rritur
Etiketat: bateri 3d, lloj baterie revolucionare, he3da. Çeke Jan Prochazka krijoi një lloj baterie revolucionare, prodhimi i të cilit tani është gati të financohet nga investitorët më të mëdhenj në botë. Bateria e re 3D ndryshon nga mostrat e njohura më parë në mënyrën e prodhimit të saj. Gjë është se qelizat galvanike janë të vendosura horizontalisht në baterinë e re.

Shumë njerëz besojnë se e ardhmja e industrisë së automobilave qëndron në makinat elektrike. Ka fatura jashtë vendit, sipas të cilave disa nga makinat e shitura çdo vit ose duhet të jenë hibride ose të punojnë me energji elektrike, kështu që paratë investohen jo vetëm në reklamimin e makinave të tilla, por edhe në ndërtimin e pikave të karburantit.

Sidoqoftë, shumë njerëz janë ende duke pritur që makinat elektrike të bëhen rivalë të vërtetë të makinave tradicionale. Apo ndoshta do të jetë kur koha e karikimit zvogëlohet dhe jeta e baterisë rritet? Ndoshta bateritë grafene do të ndihmojnë njerëzimin në këtë.

Çfarë është grafeni?

Një material revolucionar i gjeneratës së re, më i lehtë dhe më i fortë, më përcjellësi elektrik - gjithçka ka të bëjë me grafenin, i cili nuk është asgjë më shumë se një grilë dy -dimensionale e karbonit një atom të trashë. Krijuesit e grafenit, Konstantin Novoselov, morën Çmimin Nobel. Zakonisht, kalon një kohë e gjatë midis zbulimit dhe fillimit të përdorimit praktik të këtij zbulimi në praktikë, ndonjëherë edhe dhjetëra vjet, por grafeni nuk pësoi një fat të tillë. Ndoshta kjo është për shkak të faktit se Novoselov dhe Geim nuk e fshehën teknologjinë e prodhimit të tij.

Ata jo vetëm që i treguan të gjithë botës për këtë, por gjithashtu treguan: ka një video në YouTube, ku Konstantin Novoselov flet në detaje për këtë teknologji. Prandaj, mbase së shpejti ne madje do të jemi në gjendje të bëjmë bateri grafeni me duart tona.

Zhvillimi

Ka pasur përpjekje për të përdorur grafenin në pothuajse të gjitha fushat e shkencës. Shtë provuar në panele diellore, kufje, strehë, madje është përpjekur për të trajtuar kancerin. Sidoqoftë, për momentin, një nga gjërat më premtuese dhe më të nevojshme për njerëzimin është një bateri grafeni. Kujtoni që me një avantazh kaq të pamohueshëm si karburant i lirë dhe miqësor me mjedisin, automjetet elektrike kanë një pengesë serioze - një shpejtësi relativisht të ulët maksimale dhe një rezervë energjie jo më shumë se treqind kilometra.

Zgjidhja e problemit të shek

Një bateri grafeni punon në të njëjtin parim si një bateri plumbi me një elektrolit alkalik ose acid. Ky parim është një reaksion elektrokimik. Struktura e një baterie grafeni është e ngjashme me një bateri litium-jon me një elektrolit të ngurtë, në të cilin katoda është koks qymyri, i cili është i afërt në përbërje me karbon të pastër.

Sidoqoftë, tashmë ekzistojnë dy drejtime thelbësisht të ndryshme midis inxhinierëve që zhvillojnë bateri grafeni. Në Shtetet e Bashkuara, shkencëtarët propozuan të bënin një katodë nga pllaka grafeni dhe silikoni të ndërthurura me njëra -tjetrën, dhe një anodë nga kobalti litium klasik. Inxhinierët rusë kanë gjetur një zgjidhje tjetër. Kripa toksike dhe e shtrenjtë e litiumit mund të zëvendësohet me oksid magnezi më miqësor ndaj mjedisit dhe më të lirë. Kapaciteti i baterisë rritet në çdo rast duke rritur shkallën e kalimit të joneve nga një elektrodë në tjetrën. Kjo arrihet për faktin se grafeni ka një përshkueshmëri të lartë elektrike dhe aftësinë për të grumbulluar ngarkesë elektrike.

Mendimet e shkencëtarëve për inovacionet janë të ndara: inxhinierët rusë pohojnë se bateritë grafene kanë një kapacitet dy herë më shumë se bateritë litium-jon, ndërsa kolegët e tyre të huaj pretendojnë se është dhjetë.

Bateritë grafene janë prodhuar në masë në vitin 2015. Për shembull, kompania spanjolle Graphenano po e bën këtë. Sipas prodhuesit, përdorimi i këtyre baterive në automjetet elektrike në vendet e logjistikës tregon mundësitë reale praktike të një baterie katodike grafeni. Duhen vetëm tetë minuta për tu ngarkuar plotësisht. Bateritë grafene gjithashtu mund të rrisin gjatësinë maksimale të shtegut. Karikimi për 1000 km në vend të treqind - kjo është ajo që korporata Graphenano dëshiron t'i ofrojë konsumatorit.

Spanja dhe Kina

Kompania kineze Chint bashkëpunon me Graphenano, e cila bleu 10% të aksioneve të korporatës spanjolle për 18 milionë euro. Fondet e përbashkëta do të përdoren për të ndërtuar një fabrikë me njëzet linja prodhimi. Projekti tashmë ka marrë rreth 30 milionë investime, të cilat do të investohen në instalimin e pajisjeve dhe punësimin e punonjësve. Sipas planit origjinal, fabrika duhej të fillonte prodhimin e rreth 80 milion baterive. Në fazën fillestare, Kina duhet të bëhet tregu kryesor, dhe më pas ishte planifikuar të fillonte dërgesat në vendet e tjera.

Në fazën e dytë, Chint është gati të investojë 350 milionë euro për të ndërtuar një fabrikë tjetër, e cila do të ketë rreth 5000 punonjës. Këto shifra nuk janë befasuese kur merrni parasysh se të ardhurat totale do të jenë rreth tre miliardë euro. Për më tepër, Kinës, të njohur për problemet e saj mjedisore, do t’i sigurohet “karburant” miqësor ndaj mjedisit dhe i lirë. Sidoqoftë, siç mund të vërejmë, përveç deklaratave me zë të lartë, bota nuk pa asgjë, vetëm modele testimi. Edhe pse Volkswagen gjithashtu njoftoi synimin e tij për të bashkëpunuar me Graphenano.

Pritshmëritë dhe realiteti

2017shtë viti 2017, që do të thotë se Graphenano ka dy vjet që është angazhuar në prodhimin "masiv" të baterive, por takimi me një makinë elektrike në rrugë është një gjë e rrallë jo vetëm për Rusinë. Të gjitha specifikimet dhe të dhënat e lëshuara nga korporata janë mjaft të paqarta. Në përgjithësi, ato nuk shkojnë përtej koncepteve teorike të pranuara përgjithësisht se çfarë parametrash duhet të ketë një bateri grafeni për një automjet elektrik.

Për më tepër, deri më tani, gjithçka që është paraqitur si për konsumatorët ashtu edhe për investitorët janë vetëm modele kompjuterike, pa prototipe të vërteta. Shtimi i problemit është fakti se grafeni është një material që është shumë i shtrenjtë për t’u prodhuar. Përkundër deklaratave të larta të shkencëtarëve se si mund të "printohet në gju", në këtë fazë është e mundur të zvogëlohet vetëm kostoja e disa përbërësve.

Grafeni dhe tregu botëror

Mbështetësit e të gjitha llojeve të teorive të komplotit do të thonë se askush nuk përfiton nga shfaqja e një makine të tillë, sepse atëherë nafta do të kalojë në sfond, që do të thotë se të ardhurat nga prodhimi i saj gjithashtu do të ulen. Sidoqoftë, me shumë mundësi, inxhinierët hasën në disa probleme, por ata nuk duan ta reklamojnë atë. Fjala "grafen" tani po dëgjohet, shumë e konsiderojnë atë, prandaj, ndoshta, shkencëtarët nuk duan të prishin famën e saj.

Problemet e zhvillimit

Sidoqoftë, çështja mund të jetë se materiali është vërtet novator, kështu që qasja kërkon një të përshtatshme. Batteriesshtë e mundur që bateritë që përdorin grafen duhet të jenë thelbësisht të ndryshme nga bateritë tradicionale litium-jon ose litium-polimer.

Ekziston një teori tjetër. Graphenano Corp tha se bateritë e reja ngarkohen në vetëm tetë minuta. Ekspertët konfirmojnë se kjo është vërtet e mundur, vetëm burimi i energjisë duhet të jetë së paku një megavat, i cili është i mundur në kushtet e provës në fabrikë, por jo në shtëpi. Ndërtimi i një numri të mjaftueshëm të stacioneve të benzinës me një kapacitet të tillë do të kushtojë shumë para, çmimi i një rimbushje do të jetë mjaft i lartë, kështu që një bateri grafeni për një makinë nuk do të sjellë ndonjë përfitim.

Praktika tregon se teknologjitë revolucionare janë ndërtuar në tregun botëror për një kohë të gjatë. Isshtë e nevojshme të kryhen shumë teste për t'u siguruar që produkti është i sigurt, kështu që lëshimi i pajisjeve të reja teknologjike ndonjëherë vonohet për shumë vite.

Ne lexojmë pyetjen trudnopisaka :

"Do të ishte interesante të dihet për teknologjitë e reja të baterive që po përgatiten për prodhim serik."

Epo, natyrisht, kriteri për prodhimin masiv është disi i shtrirë, por le të përpiqemi të zbulojmë se çfarë premton tani.

Ja se me çfarë dolën kimistët:

Tensioni i qelizës në volt (vertikale) dhe kapaciteti specifik i katodës (mAh / g) i një baterie të re menjëherë pas prodhimit të tij (I), shkarkimit të parë (II) dhe ngarkimit të parë (III) (ilustrim Hee Soo Kim et al ./Nature Communications ) ...

Për sa i përket potencialit të tyre energjetik, bateritë e bazuara në një kombinim të magnezit dhe squfurit janë në gjendje të anashkalojnë bateritë e litiumit. Por deri më tani, askush nuk mund t'i detyrojë këto dy substanca të punojnë së bashku në një bateri. Tani, me disa rezerva, një ekip specialistësh në Shtetet e Bashkuara ka pasur sukses.

Shkencëtarët në Institutin Kërkimor Toyota në Amerikën e Veriut (TRI-NA) janë përpjekur të zgjidhin problemin kryesor me të cilin përballet zhvillimi i baterive të magnez-squfurit (Mg / S).

Përgatitur bazuar në materialet nga Laboratori Kombëtar i Paqësorit Veriperëndimor.