Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ελαττωματικές και πρέπει να αναβαθμιστούν

Είτε το πιστεύετε είτε όχι, το smartphone που κρατάτε στο χέρι σας ήταν πιο ισχυρό από το δίκτυο υπολογιστών της NASA, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για να βάλει τους ανθρώπους στην επιφάνεια του φεγγαριού το 1969, και με το smartphone σας μπορείτε να πραγματοποιείτε κλήσεις και να στέλνετε μηνύματα επίσης όπως και άλλες εκπληκτικές δυνατότητες, όπως παιχνίδι και αναπαραγωγή βίντεο Απεικόνιση, μετάδοση και άλλες δυνατότητες που δεν μπορούμε να αναφέρουμε πλήρως, αλλά όλες οι δυνατότητες που έχετε μέσω ενός smartphone ενδέχεται να εξασθενίσουν και η συσκευή να είναι άχρηστη εάν δεν διαθέτει ισχυρή και επαναφορτιζόμενη μπαταρία που μπορεί να διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά η τεχνολογία που χρησιμοποιείται εξακολουθεί να είναι ελαττωματική και πρέπει να αναπτυχθεί.

Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου-οξέος αναπτύχθηκε το 1859 από έναν φυσικό Gaston PlantyΚαι το 1980, αναπτύξτε τον κόσμο Τζον Γκούντναβ Μπαταρία καθόδου οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου, η οποία κυκλοφόρησε από τη Sony και χρησιμοποιήθηκε για μπαταρίες κινητών τηλεφώνων το 1991, και για αυτό το επίτευγμα, ο Godnav απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ τον Οκτώβριο μαζί με συναδέλφους χημικούς M. Stanley Whittingham και Akira Yoshino.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου λειτουργούν συνδυάζοντας την κάθοδο οξειδίου του λιθίου (θετικό ηλεκτρόδιο) με την άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και τον ηλεκτρολύτη (διαχωριστής) που χρησιμοποιείται ως αγωγός, όταν η μπαταρία φορτίζεται και αποφορτίζεται, τα ιόντα κινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων και παράγουν ενέργεια που η μπαταρία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει.

Μόνο πέντε εταιρείες στην Ιαπωνία, την Κίνα και τη Νότια Κορέα παράγουν το 62% των μπαταριών ιόντων λιθίου στον κόσμο. Η ζήτηση έχει αυξηθεί δραματικά από το 2015, όταν η Κίνα άρχισε επιθετικά την παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων στην εγχώρια αγορά παράλληλα με τη συνεχή παγκόσμια αύξηση των πωλήσεων smartphone, tablet και φορητών υπολογιστών.

Η Κίνα κατασκευάζει σήμερα το 60% των ηλεκτρικών οχημάτων στον κόσμο και προσπαθεί να εξασφαλίσει τον έλεγχο του λιθίου, το οποίο είναι ένα άφθονο φυσικό ορυκτό που βρίσκεται στο θαλασσινό νερό και παράγεται κυρίως στη Νότια Αμερική, συγκεκριμένα στη Βολιβία, τη Χιλή και την Αργεντινή.

Η κινεζική εταιρεία Tianqi Lithium κατέβαλε πέρυσι 4 δισεκατομμύρια δολάρια για ένα μερίδιο στη Χιλιανή εταιρεία εξόρυξης Sociedad Química y Minera, δίνοντάς της ουσιαστικά τον έλεγχο της μισής παγκόσμιας παραγωγής λιθίου και η βιομηχανία στην οποία επικεντρώνεται η Tianqi είναι η αγορά μπαταριών ιόντων λιθίου , το οποίο αναμένεται να αυξηθεί σε μέγεθος. Από 33 δισεκατομμύρια δολάρια το 2018 σε περισσότερα από 73 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2024, σύμφωνα με την εταιρεία έρευνας αγοράς Global Market Insights.

Μειονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου

Το λίθιο (που ονομάζεται λευκός χρυσός) είναι ένα χημικά ενεργό στοιχείο σε σύγκριση με άλλα στοιχεία, και στη Νότια Αμερική, η οποία παράγει την πλειοψηφία του λιθίου στον κόσμο, ο λευκός χρυσός εξάγεται από τις επιφάνειες αλατιού, αλλά η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι πολύ κατανάλωση νερού σε ένα από τις πιο άνυδρες περιοχές του κόσμου, όπως για το κοβάλτιο Ένα άλλο ορυκτό που απαιτείται για την παραγωγή μπαταριών, βρίσκεται σχεδόν αποκλειστικά στη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό και εξορύσσεται μέσω μη ασφαλών πρακτικών, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης παιδιών ως εργασίας για εξαγωγή κοβάλτιο.

Επιπλέον, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι επί του παρόντος πολύ ακριβές για ανακύκλωση, πράγμα που σημαίνει ότι συχνά καταλήγουν σε χώρους υγειονομικής ταφής και οι Αμερικανοί διαθέτουν περίπου δύο δισεκατομμύρια μπαταρίες ιόντων λιθίου κάθε χρόνο. Ωστόσο, υπάρχουν έργα στη Σουηδία και την Ιαπωνία που έχουν ξεκινήσει Ανακυκλώστε ηλεκτρικές μπαταρίες οχημάτων που μπορούν να διατηρήσουν το 70% της φόρτισης τους ακόμη και μετά από πολλά χρόνια χρήσης.

Παρά την ταχεία αύξηση της ζήτησής τους, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν άλλα μειονεκτήματα, όπως ζητήματα ασφάλειας και περιβαλλοντικές ζημιές, επειδή το ιόν λιθίου είναι εγγενώς ασταθές υλικό και αυτό σημαίνει ότι μπορεί να εκραγεί όταν υποστεί ζημιά ή εκτεθεί σε υψηλή θερμότητα. πυρκαγιές και εκρήξεις μεταξύ του 195 και του 2009, συμπεριλαμβανομένων σημαντικών ζητημάτων που αντιμετώπισε το Samsung Galaxy Note 2017 το 7.

εναλλακτικές λύσεις

Ορισμένοι ερευνητές και τεχνολόγοι προσπαθούν να αντιμετωπίσουν αυτές τις προκλήσεις και τα μειονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου μέχρι στιγμής, ενώ άλλοι εργάζονται στη διαδικασία αργής εξέλιξης για να βρουν μια εναλλακτική λύση για το ιόν λιθίου καθώς η αμμωνία, το μαγνήσιο και το νάτριο αναπτύσσονται όλα αυτήν τη στιγμή και όλα έχουν τα μειονεκτήματά τους, συμπεριλαμβανομένης της χαμηλής κατακράτησης ενέργειας και της αστάθειας των υλικών.

«Υπάρχουν δύο βασικές τεχνολογίες μπαταριών που καταδεικνύουν εκπληκτικές δυνατότητες για την βιομηχανία ηλεκτρικών αυτοκινήτων την επόμενη δεκαετία», λέει ο Jarvis Toe, εκτελεστικός αντιπρόεδρος μάρκετινγκ και προϊόντων στην Enevate Corporation, μια εταιρεία μπαταριών ιόντων λιθίου με έδρα το Irvine της Καλιφόρνια. είναι μια δραστική ουσία που μπορεί να αποθηκεύσει λίθιο και έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Μια άλλη σημαντική εξέλιξη είναι η μείωση ή η εξάλειψη του κοβαλτίου, το οποίο σήμερα αντιπροσωπεύει το 20% του κόστους των υλικών που χρησιμοποιούνται σε μια κανονική μπαταρία ιόντων λιθίου, και η τιμή του κοβαλτίου αυξήθηκε από 20 $ ανά μετρικό τόνο το 2016 σε περίπου 80 $ σήμερα, οπότε η αφαίρεση κοβαλτίου είναι το κλειδί για τη μείωση του κόστους. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, γι 'αυτό η Panasonic και η Tesla εργάζονται για την αφαίρεση του κοβαλτίου από τις μπαταρίες τους.

"Οι τεχνολογίες καθόδου χαμηλού κοβαλτίου ή χωρίς κοβάλτιο μπορούν να βοηθήσουν στη συνέχιση της μείωσης του κόστους των μπαταριών EV για να γίνουν πιο προσιτές και πιστοποιημένες EV ταχύτερα, καθώς οι κάθοδοι εξακολουθούν να είναι το πιο ακριβό συστατικό σε μια κυψέλη ιόντων λιθίου σήμερα, και οι τεχνολογίες ανόδου που κυριαρχούν στο Silicon προσφέρει πολύ γρήγορες δυνατότητες φόρτισης μαζί με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και χαρακτηριστικά ασφαλείας. "

Οι ερευνητικές ομάδες έχουν διερευνήσει με επιτυχία τη χρήση ηλεκτροδίων οξειδίου του χρωμίου μαγνησίου και χρυσών νανοσωλήνων για να αντικαταστήσουν το κοβάλτιο από το οποίο κατασκευάζονται συνήθως οι κάθοδοι, εκτός από τις "επαναπληρώσιμες" μπαταρίες που μπορούν να αναπληρώσουν ηλεκτρολύτες. Ένας μελλοντικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος θα μπορούσε να ξαναγεμίσει το ηλεκτρικό όχημά σας με ένας νέος ηλεκτρολύτης όταν η ανάγκη, η οποία αφαιρεί το εύρος ανησυχίας που αποτελεί επί του παρόντος ένα σημαντικό πρόβλημα για τα οχήματα μπαταριών ιόντων λιθίου.

Ο Bill Ray, υπεύθυνος του τομέα ημιαγωγών και ηλεκτρονικών ειδών στην εταιρεία έρευνας αγοράς Gartner, λέει ότι ο αφρός χαλκού μπορεί να αντικαταστήσει το ιόν λιθίου σε λιγότερο από πέντε χρόνια, και είναι κοντά στην παραγωγή και με μια μεγαλύτερη άνοδο, που σημαίνει ότι μπορεί να φορτιστεί πολύ γρήγορα. Φυσικά αυτό που θέλουν οι καταναλωτές. "

Αρκετές εταιρείες, συμπεριλαμβανομένης της Ford, αναπτύσσουν μπαταρίες στερεάς κατάστασης που λειτουργούν αντικαθιστώντας έναν διαχωριστή υγρού ηλεκτρολύτη με ένα στερεό και μια σειρά πιθανών υλικών ερευνούνται, συμπεριλαμβανομένων νέων κρυσταλλικών υλικών, πολυκρυσταλλικού πυριτίου LTPS και του υπερήχου αγωγού υδριδίου λιθίου., Και ο κεραμικός ηλεκτρολύτης.

Μελλοντικές τεχνολογίες

Η χρήση στερεών μπορεί να οδηγήσει σε μπαταρία υψηλότερης χωρητικότητας, ενώ ταυτόχρονα μειώνει τον κίνδυνο πυρκαγιάς ή έκρηξης, αν και αυτά τα υλικά απέχουν πολύ από την κύρια παραγωγή. Τα Ελβετικά Ομοσπονδιακά Εργαστήρια Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών και το Πανεπιστήμιο της Γενεύης δημιούργησαν επίσης ένα νέο πρωτότυπο μπαταρίας γνωστή ως «στερεά κατάσταση». Συνολικά, αυτή η μπαταρία έχει τη δυνατότητα να είναι πιο αποτελεσματική από το ιόν λιθίου, έχει μεγαλύτερες δυνατότητες και παρέχει υψηλά επίπεδα ασφάλειας.

"Εάν μπορείτε να αποκτήσετε αξιόπιστη ασύρματη φόρτιση πάνω από ένα μέτρο, η ίδια η τεχνολογία της μπαταρίας καθίσταται πολύ λιγότερο σημαντική." «Αν και βρίσκονται σε εξέλιξη οι πρώτες δοκιμές με συστήματα μπαταρίας στερεάς κατάστασης, η τεχνολογία στερεάς κατάστασης έχει προς το παρόν μειονεκτήματα όσον αφορά την τεχνολογία και τις τιμές», λέει ο Sven Schulz, Διευθύνων Σύμβουλος της γερμανικής εταιρείας AKASOL για μπαταρίες υψηλής απόδοσης.

Αναμένει ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα εισέλθουν στην αγορά έως το 2030, αν και πιστεύει ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα παραμείνουν η καλύτερη επιλογή για τουλάχιστον τα επόμενα δέκα χρόνια, διότι ενώ η ανάπτυξη της τεχνολογίας ιόντων λιθίου δεν είναι επαναστατική διαδικασία, είναι βελτίωση βήμα προς βήμα από 2% σε 5%.% ετησίως. Η προσήλωση σε αυτήν την τεχνολογία μέχρι την εμφάνιση μιας νέας πειραματικής τεχνολογίας είναι το σωστό.

Μακροπρόθεσμα, ορισμένοι ειδικοί έχουν μια εντελώς διαφορετική άποψη για το μέλλον της ισχύος της μπαταρίας, λέει ο Ray ότι η ασύρματη ή εσωτερική επαγωγή φόρτισης μέσω ενός μαξιλαριού σε ένα γκαράζ, δρόμο ή χώρο στάθμευσης είναι συνηθισμένο.

"Προς το παρόν, η ασύρματη φόρτιση δεν είναι πολύ καλύτερη από τη φόρτιση με καλώδιο. Εάν μπορείτε να κυριαρχήσετε αξιόπιστη ασύρματη φόρτιση πάνω από ένα μέτρο, η ίδια η τεχνολογία της μπαταρίας καθίσταται πολύ λιγότερο σημαντική. Η συσκευή σας βασίζεται συνεχώς στη φόρτιση."

Μερικοί στην ενεργειακή βιομηχανία προβλέπουν ότι η εγχώρια αποθήκευση ενέργειας, όπως το Powerwall της Tesla, θα γίνει στάνταρ καθώς οι μονάδες περιέχουν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου που μπορούν να αποθηκεύσουν 13.5 κιλοβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας, αρκετές για να τροφοδοτήσουν ένα σπίτι μεσαίου μεγέθους για μια μέρα. Η ζήτηση αυξάνεται καθώς περισσότερα σπίτια είναι εξοπλισμένα με ηλιακούς συλλέκτες και ανεμογεννήτριες και πρέπει να αποθηκεύσετε αυτήν την ενέργεια.

Τέλος, καθώς αυξάνεται η εξάρτησή μας από διαφορετικούς τύπους μπαταριών, το εμπορικό κίνητρο θα αυξηθεί για να διερευνήσουμε νέες, πιο αξιόπιστες και αποτελεσματικές λύσεις και γι 'αυτό πρέπει να αποκτήσουμε περισσότερη εμπειρία στη χημεία, τη φυσική, τη μηχανική και την επιστήμη των υλικών προκειμένου να ενωθούμε μαζί και είναι σημαντικό να έχουμε ένα τεράστιο συνεργατικό κύμα που να αντιμετωπίζει τις προκλήσεις. Ανάπτυξη νέων τεχνολογιών μπαταρίας.

Πηγή:

medium