Svet potrebuje več energije, po možnosti v obliki, ki je čista in obnovljiva.Naše strategije shranjevanja energije trenutno oblikujejo litij-ionske baterije – na samem vrhu takšne tehnologije – toda česa se lahko veselimo v prihodnjih letih?
Začnimo z nekaj osnovami baterije.Baterija je paket ene ali več celic, od katerih ima vsaka pozitivno elektrodo (katodo), negativno elektrodo (anodo), separator in elektrolit.Uporaba različnih kemikalij in materialov za te vpliva na lastnosti baterije – koliko energije lahko shrani in oddaja, koliko moči lahko zagotovi ali kolikokrat jo je mogoče izprazniti in ponovno napolniti (imenovano tudi ciklična zmogljivost).
Podjetja, ki proizvajajo baterije, nenehno eksperimentirajo, da bi našla kemikalije, ki so cenejše, gostejše, lažje in močnejše.Pogovarjali smo se s Patrickom Bernardom – direktorjem raziskav Saft, ki je razložil tri nove tehnologije baterij s transformativnim potencialom.
LITIJ-IONSKE BATERIJE NOVE GENERACIJE
Kaj je to?
V litij-ionskih (litij-ionskih) baterijah je shranjevanje in sproščanje energije zagotovljeno s premikanjem litijevih ionov od pozitivne k negativni elektrodi naprej in nazaj prek elektrolita.Pri tej tehnologiji pozitivna elektroda deluje kot začetni vir litija, negativna elektroda pa kot gostitelj litija.Več kemijskih spojin je zbranih pod imenom li-ionske baterije, kot rezultat desetletij izbire in optimizacije blizu popolnosti pozitivnih in negativnih aktivnih materialov.Litirani kovinski oksidi ali fosfati so najpogostejši material, ki se uporablja kot prisotni pozitivni materiali.Kot negativni materiali se uporabljajo grafit, pa tudi grafit/silicij ali litirani titanovi oksidi.
Z dejanskimi materiali in zasnovo celic naj bi litij-ionska tehnologija v naslednjih letih dosegla energijsko mejo.Kljub temu naj bi nedavna odkritja novih družin motečih aktivnih materialov sprostila sedanje omejitve.Te inovativne spojine lahko shranijo več litija v pozitivne in negativne elektrode in bodo prvič omogočile združevanje energije in moči.Poleg tega se pri teh novih spojinah upoštevata tudi pomanjkanje in kritičnost surovin.
Kakšne so njegove prednosti?
Danes med vsemi najsodobnejšimi tehnologijami shranjevanja litij-ionska baterijska tehnologija omogoča najvišjo raven energijske gostote.Zmogljivosti, kot je hitro polnjenje ali temperaturno delovno okno (-50 °C do 125 °C), je mogoče natančno nastaviti z veliko izbiro zasnove celic in kemije.Poleg tega imajo litij-ionske baterije dodatne prednosti, kot so zelo nizko samopraznjenje ter zelo dolga življenjska doba in ciklične zmogljivosti, običajno na tisoče ciklov polnjenja/praznjenja.
Kdaj ga lahko pričakujemo?
Pričakuje se, da bo nova generacija naprednih li-ionskih baterij uvedena pred prvo generacijo polprevodniških baterij.Idealni bodo za uporabo v aplikacijah, kot so sistemi za shranjevanje energijeobnovljivih virovin prevoz (morski, železnice,letalstvoin mobilnost zunaj cest), kjer so obvezne visoka energija, moč in varnost.
LITIJ-ŽVEPLOVE BATERIJE
Kaj je to?
V litij-ionskih baterijah so litijevi ioni shranjeni v aktivnih materialih, ki med polnjenjem in praznjenjem delujejo kot stabilne gostiteljske strukture.V litij-žveplovih (Li-S) baterijah ni gostiteljskih struktur.Med praznjenjem se litijeva anoda porabi in žveplo pretvori v različne kemične spojine;med polnjenjem poteka obraten proces.
Kakšne so njegove prednosti?
Li-S baterija uporablja zelo lahke aktivne materiale: žveplo v pozitivni elektrodi in kovinski litij kot negativno elektrodo.Zato je njegova teoretična gostota energije izjemno visoka: štirikrat večja kot pri litij-ionskem.Zaradi tega je primeren za letalsko in vesoljsko industrijo.
Saft je izbral in dal prednost najbolj obetavni Li-S tehnologiji, ki temelji na trdnem elektrolitu.Ta tehnična pot prinaša zelo visoko energijsko gostoto, dolgo življenjsko dobo in odpravlja glavne pomanjkljivosti tekočega Li-S (omejena življenjska doba, visoko samopraznjenje, …).
Poleg tega ta tehnologija dopolnjuje trdno litij-ionsko zahvaljujoč njeni vrhunski gravimetrični energijski gostoti (+30 % v Wh/kg).
Kdaj ga lahko pričakujemo?
Glavne tehnološke ovire so bile že premagane in stopnja zrelosti zelo hitro napreduje proti prototipom v polnem obsegu.
Za aplikacije, ki zahtevajo dolgo življenjsko dobo baterije, se pričakuje, da bo ta tehnologija prišla na trg takoj za polprevodniškim litij-ionskim.
SOLID PREVODNIŠKE BATERIJE
Kaj je to?
Polprevodniške baterije predstavljajo spremembo paradigme v smislu tehnologije.V sodobnih li-ionskih baterijah se ioni premikajo od ene elektrode do druge preko tekočega elektrolita (imenovano tudi ionska prevodnost).V popolnoma polprevodniških baterijah je tekoči elektrolit nadomeščen s trdno spojino, ki kljub temu omogoča migracijo litijevih ionov v njej.Ta koncept še zdaleč ni nov, vendar so bile v zadnjih 10 letih – zahvaljujoč intenzivnim svetovnim raziskavam – odkrite nove družine trdnih elektrolitov z zelo visoko ionsko prevodnostjo, podobno tekočemu elektrolitu, kar omogoča premagovanje te posebne tehnološke ovire.
danes,SaftRaziskovalna in razvojna prizadevanja se osredotočajo na 2 glavni vrsti materialov: polimere in anorganske spojine, katerih cilj je sinergija fizikalno-kemijskih lastnosti, kot so predelovalnost, stabilnost, prevodnost …
Kakšne so njegove prednosti?
Prva velika prednost je opazno izboljšanje varnosti na ravni celic in baterij: trdni elektroliti niso vnetljivi pri segrevanju, za razliko od svojih tekočih primerkov.Drugič, dovoljuje uporabo inovativnih, visokonapetostnih in zmogljivih materialov, kar omogoča gostejše in lažje baterije z boljšim rokom uporabnosti zaradi zmanjšanega samopraznjenja.Poleg tega bo na sistemski ravni prinesel dodatne prednosti, kot so poenostavljena mehanika ter toplotno in varnostno upravljanje.
Ker lahko baterije izkazujejo visoko razmerje med močjo in težo, so lahko idealne za uporabo v električnih vozilih.
Kdaj ga lahko pričakujemo?
Z nadaljnjim tehnološkim napredkom bo verjetno na trg prišlo več vrst polprevodniških baterij.Prve bodo polprevodniške baterije z anodami na osnovi grafita, ki prinašajo izboljšano energetsko učinkovitost in varnost.Sčasoma bi morale postati komercialno dostopne lažje tehnologije polprevodniških baterij, ki uporabljajo kovinsko litijevo anodo.
Čas objave: 3. avgusta 2022