Akumulatory litowo-jonowe są wadliwe i wymagają aktualizacji

Wierz lub nie, smartfon, który trzymasz w dłoni, był potężniejszy niż sieć komputerowa NASA, która była używana do umieszczania ludzi na powierzchni Księżyca w 1969 roku, a za pomocą smartfona możesz również dzwonić i wysyłać wiadomości podobnie jak inne niesamowite funkcje, takie jak granie w gry i odtwarzanie filmów Obrazowanie, nadawanie i inne funkcje, których nie możemy w pełni wymienić, ale wszystkie funkcje, które uzyskujesz za pośrednictwem smartfona, mogą zniknąć, a urządzenie stanie się bezużyteczne, jeśli nie ma wydajnej i ładowalnej baterii, która może trwać długo, ale zastosowana technologia jest nadal wadliwa i wymaga rozwoju.

Baterie litowo-jonowe

Pierwszy akumulator kwasowo-ołowiowy został opracowany w 1859 roku przez fizyka Gaston PlantyA w 1980 roku rozwijaj świat John Goodnav Bateria katodowa na bazie tlenku kobaltu litu, która została wprowadzona na rynek przez firmę Sony i wykorzystana w bateriach do telefonów komórkowych w 1991 r., Za to osiągnięcie Godnav otrzymał w październiku Nagrodę Nobla wraz z innymi chemikami M. Stanleyem Whittinghamem i Akirą Yoshino.

Akumulatory litowo-jonowe działają na zasadzie połączenia katody z tlenku litu (elektrody dodatniej) z anodą (elektrodą ujemną) i elektrolitem (separatorem) pełniącym rolę przewodnika, podczas ładowania i rozładowywania akumulatora jony przemieszczają się między elektrodami i generują energię, która bateria może wtedy użyć.

Tylko pięć firm w Japonii, Chinach i Korei Południowej produkuje 62% światowych akumulatorów litowo-jonowych. Popyt wzrósł dramatycznie od 2015 r., Kiedy Chiny zaczęły agresywnie naciskać na krajową produkcję pojazdów elektrycznych, a jednocześnie stale rosnąć globalna sprzedaż smartfonów, tabletów i laptopów.

Chiny produkują obecnie 60% pojazdów elektrycznych na świecie i starają się zapewnić kontrolę nad litem, który jest naturalnym minerałem występującym powszechnie w słonej wodzie i produkowanym głównie w Ameryce Południowej, a konkretnie w Boliwii, Chile i Argentynie.

Chińska firma Tianqi Lithium zapłaciła w zeszłym roku 4 miliardy dolarów za udziały w chilijskiej spółce wydobywczej Sociedad Química y Minera, skutecznie dając jej kontrolę nad połową światowej produkcji litu, a branżą, na której koncentruje się Tianqi, jest rynek akumulatorów litowo-jonowych , który ma wzrosnąć. Z 33 miliardów dolarów w 2018 roku do ponad 73 miliardów dolarów w 2024 roku, według firmy badawczej Global Market Insights.

Wady akumulatorów litowo-jonowych

Lit (zwany białym złotem) jest uważany za pierwiastek aktywny chemicznie w porównaniu z innymi pierwiastkami, aw Ameryce Południowej, która produkuje większość litu na świecie, białe złoto jest ekstrahowane z powierzchni soli, ale zastosowana metoda jest bardzo wodochłonna w jeden z najbardziej suchych regionów świata, jak w przypadku kobaltu Kolejny minerał wymagany do produkcji baterii, występuje prawie wyłącznie w Demokratycznej Republice Konga i jest wydobywany w wyniku niebezpiecznych praktyk, w tym wykorzystywania dzieci jako siły roboczej do ekstrakt z kobaltu.

Co więcej, akumulatory litowo-jonowe są obecnie zbyt drogie, aby je poddać recyklingowi, co oznacza, że ​​często trafiają na wysypiska śmieci, a Amerykanie każdego roku pozbywają się około dwóch miliardów akumulatorów litowo-jonowych, jednak w Szwecji i Japonii rozpoczęły się projekty. Poddaj recyklingowi akumulatory do pojazdów elektrycznych, które mogą zachować 70% swojego ładunku nawet po wielu latach użytkowania.

Pomimo gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na nie, akumulatory litowo-jonowe mają inne wady, takie jak kwestie bezpieczeństwa i szkody dla środowiska, ponieważ litowo-jonowy jest materiałem z natury niestabilnym, co oznacza, że ​​może eksplodować po uszkodzeniu lub wystawieniu na działanie wysokiej temperatury. pożary i eksplozje w latach 195-2009, w tym godne uwagi problemy, z którymi zmagał się Samsung Galaxy Note 2017 w 7 roku.

alternatywne rozwiązania

Niektórzy badacze i technolodzy próbują do tej pory stawić czoła tym wyzwaniom i wadom akumulatorów litowo-jonowych, podczas gdy inni pracują nad powolnym procesem ewolucji, aby znaleźć alternatywę dla litowo-jonowej, ponieważ obecnie opracowuje się amoniak, magnez i sód. i wszystkie mają swoje wady, w tym niskie zatrzymywanie energii i lotność materiałów.

„Istnieją dwie podstawowe technologie akumulatorów, które demonstrują niesamowite możliwości przemysłu samochodów elektrycznych w ciągu następnej dekady” - mówi Jarvis Toe, wiceprezes ds. Marketingu i produktów w Enevate Corporation, firmie zajmującej się akumulatorami litowo-jonowymi z siedzibą w Irvine w Kalifornii. Jest to substancja czynna, która może magazynować lit i ma wysoką przewodność elektryczną.

Innym ważnym osiągnięciem jest redukcja lub eliminacja kobaltu, który obecnie stanowi 20% kosztów materiałów używanych w zwykłym akumulatorze litowo-jonowym, a cena kobaltu wzrosła z 20 2016 USD za tonę metryczną w 80 r. Do około XNUMX XNUMX USD. Obecnie usuwanie kobaltu jest kluczem do obniżenia kosztów Akumulatory litowo-jonowe, dlatego Panasonic i Tesla pracują nad usunięciem kobaltu ze swoich akumulatorów.

„Technologie katodowe o niskiej zawartości kobaltu lub bez kobaltu mogą pomóc w dalszym obniżaniu kosztów akumulatorów EV, aby szybciej uzyskiwać przystępne cenowo certyfikowane pojazdy elektryczne, ponieważ katody są nadal najdroższym elementem ogniwa litowo-jonowego, a technologie anodowe, które dominate the Silicon oferuje bardzo szybkie możliwości ładowania wraz z wysoką gęstością energii i funkcjami bezpieczeństwa. ”

Zespoły badawcze z powodzeniem zbadały zastosowanie elektrod z tlenku magnezu i chromu oraz nanodrutów złota do zastąpienia kobaltu, z którego zwykle wykonane są katody, oprócz akumulatorów „do ponownego napełniania”, które mogą uzupełniać elektrolity. Przyszła przydrożna elektrownia może napełnić Twój pojazd elektryczny nowy elektrolit, gdy potrzeba, który usuwa obawy dotyczące zasięgu, które są obecnie głównym problemem pojazdów z akumulatorami litowo-jonowymi.

Bill Ray, odpowiedzialny za sektor półprzewodników i elektroniki w firmie badawczej Gartner, mówi, że spienianie miedzi może zastąpić jon litu w mniej niż pięć lat i jest bliski produkcji i ma większą anodę, co oznacza, że ​​można go naładować bardzo szybko. Oczywiście, czego chcą konsumenci ”.

Kilka firm, w tym Ford, opracowuje akumulatory półprzewodnikowe, które działają poprzez zastąpienie separatora ciekłego elektrolitu ciałem stałym, a szereg potencjalnych materiałów jest badanych, w tym nowe materiały krystaliczne, krzem polikrystaliczny LTPS i superjonowy przewodnik z wodorku litu. , I elektrolit ceramiczny.

Technologie przyszłości

Użycie ciał stałych może skutkować większą pojemnością baterii, jednocześnie zmniejszając ryzyko pożaru lub wybuchu, chociaż materiały te są dalekie od produkcji standardowej. Szwajcarskie Federalne Laboratoria Materiałoznawstwa i Technologii oraz Uniwersytet Genewski stworzyły również nowy prototyp baterii W całości akumulator ten może być bardziej wydajny niż litowo-jonowy, ma większe możliwości i zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa.

„Jeśli potrafisz opanować niezawodne ładowanie bezprzewodowe na odległość jednego metra, sama technologia baterii staje się znacznie mniej ważna”. „Chociaż trwają pierwsze próby z systemami akumulatorów półprzewodnikowych, technologia półprzewodnikowa ma obecnie wady technologiczne i cenowe” - mówi Sven Schulz, dyrektor generalny niemieckiej firmy AKASOL ds. Akumulatorów o wysokiej wydajności.

Oczekuje, że akumulatory półprzewodnikowe wejdą na rynek do 2030 r., Chociaż uważa, że ​​akumulatory litowo-jonowe pozostaną najlepszą opcją przez co najmniej dziesięć lat, ponieważ chociaż rozwój technologii litowo-jonowej nie jest procesem rewolucyjnym, ulepszanie krok po kroku o 2% do 5%.% rocznie. Stosowanie się do tej technologii do czasu pojawienia się nowej technologii eksperymentalnej jest właściwym postępowaniem.

W dłuższej perspektywie niektórzy eksperci mają zupełnie inny pogląd na przyszłość baterii, Ray mówi, że bezprzewodowe lub wewnętrzne ładowanie indukcyjne za pomocą poduszki w garażu, na ulicy lub na parkingu miejskim jest powszechne.

„W tej chwili ładowanie bezprzewodowe nie jest tak naprawdę lepsze niż ładowanie za pomocą kabla. Jeśli potrafisz opanować niezawodne ładowanie bezprzewodowe na odległość ponad jednego metra, sama technologia baterii staje się znacznie mniej ważna. Twoje urządzenie jest stale ładowane”.

Niektórzy w branży energetycznej przewidują, że domowe magazyny energii, takie jak Tesla Powerwall, staną się standardem, ponieważ jednostki zawierają akumulatory litowo-jonowe, które mogą przechowywać 13.5 kilowatogodzin energii elektrycznej, wystarczającej do zasilania średniej wielkości domu na jeden dzień. zapotrzebowanie rośnie, ponieważ coraz więcej domów jest wyposażonych w panele słoneczne i turbiny wiatrowe, a Ty musisz magazynować tę energię.

Wreszcie, wraz ze wzrostem naszej zależności od różnych typów akumulatorów, zachęta komercyjna do odkrywania nowych, bardziej niezawodnych i skutecznych rozwiązań, a w tym celu musimy zdobyć większe doświadczenie w chemii, fizyce, inżynierii i materiałoznawstwie, aby się zjednoczyć. ważne jest, abyśmy mieli masową falę współpracy, która odpowiada na wyzwania.Rozwój nowych technologii akumulatorów.

Źródło:

średni