Светът чака пробив на батерията. Почти всеки сектор на електронната индустрия, всичко, което работи на батерия, е ограничено от изходната мощност и енергийния живот на батериите, които я управляват.
Свързано съдържание
- Защо солта е най-ценният актив на тази централа
- Никога няма да ви се налага да включвате този мобилен телефон без батерия
„Напредъкът или напредъкът на батериите е много по-бавен, отколкото в други области и това е присъщо ограничение на батериите“, казва Стефано Пасерини, главен редактор на списанието за източници на енергия . „Не можете да очаквате батерия, която да доставя енергия за мобилен телефон в продължение на седмица или месец. В самия край максималното количество енергия, което можете да съхранявате в батерия, се определя от наличните елементи. “
Но има напредък. Изследователите работят за подобряване на енергийната плътност (сок на тегло и обем), цената, безопасността, въздействието върху околната среда и дори живота на най-популярния клас, литиево-йонни батерии, както и проектирането на изцяло нови видове.
Повечето батерии могат да бъдат намерени в три основни индустрии: потребителска електроника, автомобилостроене и съхранение на мрежи.
„Бих ги нарекъл трите големи кофи, където хората се пресичат с батерии“, казва Венкат Шринивасан, заместник-директор по научноизследователска и развойна дейност в Съвместния център за изследвания на съхранението на енергия на Министерството на енергетиката. Всяка кофа има различни изисквания и по този начин използваните батерии могат (понякога) да бъдат много различни един от друг. Този телефон в джоба ви се нуждае от компактна и безопасна батерия, но теглото и цената са по-малко важни. Намалете до автомобилните батерии и с толкова много батерии, разходите и теглото стават важни, както и живота на цикъла (ще бъдете много луд, ако този нов Tesla изисква нови батерии на всеки няколко години). Намалете още повече и батериите, които започват да се използват за съхранение на енергия за къщи и мрежата, имат много малки изисквания за тегло или размер.
От десетилетия потребителската електроника - вашият телефон, компютър, камера, таблет, дронове, дори вашият часовник - работи с литиево-йонни батерии, благодарение на тяхната лесна презареждаемост и висока енергийна плътност. В тези батерии решетката от графит, пълнена с литиеви йони, образува анода. Оксид образува катода, свързан към противоположния терминал, а двата са разделени от течен електролит, който позволява на йони да преминават през него. Когато външните клеми са свързани, литият се окислява и йоните текат към катода. Зареждането е точно обратното. Колкото повече литиеви йони могат да бъдат прехвърлени по този начин, толкова по-голяма мощност може да задържи батерията. Започнахме да оценяваме компактния размер и лекотата на използване, ако не живота на батерията и безопасността. Но може да няма много място за по-нататъшно усъвършенстване, казва Пасернини.
„Сега литиево-йонните батерии са някак близо до границата“, казва той. „Въпреки че вече го казвахме преди около 10 години, и подобренията през последните 10 години бяха доста значителни.“
В случай на автомобили, батериите в крайна сметка са отговорни за живота на колата и за страховитото безпокойство, когато става въпрос за електрическите автомобили. За да се справят с този проблем, инженерите и учените се опитват да натрупат по-голям капацитет на напрежение в батерии. Но това често се свързва с дефектни химични реакции, които намаляват капацитета с времето. Голяма част от изследванията са посветени на намирането на нови материали и химикали за подпомагане или замяна на литиево-йонната решетка или други части на батерията.
Шринивасан посочва няколко потенциални иновации и това не е само за автомобили: Традиционната решетка от графитен анод може да бъде заменена със силиций, който държи 10 пъти повече литиеви йони. Но силицийът има тенденция да се разширява, тъй като абсорбира литий, така че батериите ще трябва да отчитат това. Или: Вместо решетката, литиевият метал може да играе ролята на анод - при условие че можем да разберем как да го предпазим от катастрофално късане при презареждане. Това е проблем, който производителите на батерии се опитват да решат, тъй като литиево-йонната батерия е изобретена преди десетилетия. „Много се надяваме, че сме в момент, когато може би този 30-годишен проблем може да бъде решен отново“, казва Шринивасан.
Може би литият може да бъде заменен изцяло. Изследователите търсят начини за използване на натрий или магнезий, а Съвместният център за изследвания за съхранение на енергия използва компютърно моделиране, за да изследва материали, проектирани на базата на оксиди, които биха могли да работят като катод на магнезиев анод. Магнезият е особено привлекателен, тъй като неговата структура му позволява да приема два електрона на атом, удвоявайки заряда, който може да задържи.
Прашант Джайн и неговите сътрудници от университета в Илинойс работят върху различен аспект от литиеви батерии: електролитът. Електролитът е течността, която запълва пространството между катиона (положително зареден йон) и аниона (отрицателно зареден йон), позволявайки на заредените частици да преминават през него. Отдавна е известно, че определени твърди материали, като меден селенид, също ще позволят на йоните да текат, но не достатъчно бързо, за да работят устройства с висока мощност. Джаин, доцент по химия и неговите студенти, са разработили свръхеоново твърдо вещество, направено от наночастици от меден селенид, което има различни свойства. Тя позволява на заредените частици да текат със скорост, сравнима с течен електролит.
Потенциалните ползи от тази технология са двойни: безопасност и жизнен цикъл. Ако настоящата литиево-йонна батерия се повреди, батерията се къса и загрява. Течността се изпарява и няма нищо, което да предотврати бързото отделяне на енергия - бум. Твърдото вещество ще предотврати това късо и ще позволи изцяло метален анод, който предлага по-голям енергиен капацитет. Освен това, при многократни цикли течните електролити започват да разтварят катода и анода и това е основна причина батериите в крайна сметка да не се заредят.
„Всички тези постепенни подобрения са направили известен напредък. Но никога не е имало голям драматичен пробив, разрушителна технология, където човек може да се каже сега, твърдият електролит наистина съвпада с потенциала по отношение на транспортиране на йони, които течните електролити [могат] “, казва Джейн. "Сега, когато проблемите с безопасността излизат на преден план, с течните електролити са били изследователи, може би трябва да измислим нещо драматично с твърдите електролити и веднъж завинаги да направим такъв, който да замести течния електролит."
Джон Гуденхау, ко-изобретател на литиево-йонната батерия, разработва батерия със електролит на стъклена основа. (Инженерно училище Кокрел, Тексаския университет в Остин) Един от изобретателите на оригиналната литиево-йонна батерия сам поема поредния път към твърдите електролити: Джон Гуденхоу, професор по инженерни технологии в Университета на Тексас, публикува и подаде заявка за патент за батерия със стъкло -основен електролит. Чрез импрегниране на стъклото с литий или натрий, Goodenough успя да позволи на тока да тече още по-бързо, като същевременно предотвратява късите и увеличава енергийния капацитет с твърд анод.
Цялото това изследване ще окаже влияние върху батериите в джобовете и автомобилите ни. Но има трета категория, където въздействията са глобални.
Мелани Санфорд използва инструменти за моделиране на различен тип батерии - огромни батерии с редокс поток, които ще съхраняват енергия от възобновяеми електроцентрали и ще я освобождават, когато вятърът и слънцето не са достъпни. Изравняването на върховете и долините на производството и потреблението на енергия ще помогне на възобновяемите енергийни източници да се увеличат, за да осигурят повече от допълнителна енергия.
Южната Калифорния Едисон вече експериментира с банките с батерии, използвайки автомобилни батерии на Tesla, но тъй като батериите са традиционни на базата на литиеви йони, те са твърде скъпи за използване в мащаб, който ще позволи глобална възобновяема енергия. Освен това, ограниченията за мрежова батерия са много по-различни от тези за кола. Теглото и размерът не са проблем, но цената и експлоатационният живот са.
В батерия с редокс поток материалът за съхранение на енергия се съхранява в течна форма в големи резервоари, след което се изпомпва в по-малка клетка, където реагира с подобен апарат, който има обратен заряд. Компютърното моделиране позволи на лабораторията на Санфорд да изработи органични молекули по поръчка, което доведе до хиляднократно увеличение от по-малко от ден до месеци, за времето, през което тези молекули остават стабилни.
„За източника на мрежова скала, нещо, от което се нуждаете, са материали, които са супер евтини, защото говорим за огромни батерии“, казва Санфорд. "Говорим за вятърна централа, а след това за съпоставима площ от складове, съдържащи тези батерии."
Според Санфорд, иновациите ще дойдат както от науката за материалите - разработването на нови материали, които да се поставят в нашите батерии, така и от инженерите, които ще направят системите, изградени около тези материали, по-ефективни. И двете ще са необходими, но тръбата от изследвания до производство непременно ще бъде още едно тясно място.
„Всички трябва да знаят, че няма нито една батерия, която да побере всички приложения“, казва Пасерини. „Ясно е, че дори да спечелите малко - 10 процента, 20 процента производителност - това е голям проблем. Трябва да направим изследвания в тази област. Учените трябва да бъдат подкрепени. "
