Литий-ионные аккумуляторы неисправны и нуждаются в обновлении.

Хотите верьте, хотите нет, но смартфон, который вы держите в руке, был более мощным, чем вычислительная сеть НАСА, которая использовалась для вывода людей на поверхность Луны в 1969 году, и с помощью своего смартфона вы также можете совершать звонки и отправлять сообщения. как и другие удивительные функции, такие как игры и воспроизведение видео. Создание изображений, трансляция и другие функции, которые мы не можем полностью перечислить, но все функции, которые вы получаете через смартфон, могут исчезнуть, и устройство станет бесполезным, если у него нет мощной перезаряжаемой батареи, которая может прослужить долго, но используемая технология все еще неисправна и требует доработки.

Литий-ионные аккумуляторы

Первая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея была разработана в 1859 году физиком. Гастон ПлантиИ в 1980 году развить мир Джон Гуднав Литий-кобальтооксидная катодная батарея, которая продавалась Sony и использовалась для батарей сотовых телефонов в 1991 году, и за это достижение Годнав был удостоен Нобелевской премии в октябре вместе с коллегами-химиками М. Стэнли Уиттингемом и Акирой Йошино.

Литий-ионные аккумуляторы работают путем объединения катода из оксида лития (положительный электрод) с анодом (отрицательный электрод) и электролита (разделителя), используемого в качестве проводника, когда аккумулятор заряжается и разряжается, ионы перемещаются между электродами и генерируют энергию. что аккумулятор может затем использовать.

Только пять компаний в Японии, Китае и Южной Корее производят 62% мировых литий-ионных аккумуляторов. Спрос резко вырос с 2015 года, когда Китай начал агрессивно продвигать внутреннее производство электромобилей наряду с продолжающимся глобальным ростом продаж смартфонов, планшетов и ноутбуков. .

В настоящее время Китай производит 60% электромобилей в мире и пытается обеспечить контроль над литием, который является богатым природным минералом, содержащимся в соленой воде и в основном производится в Южной Америке, особенно в Боливии, Чили и Аргентине.

Китайская компания Tianqi Lithium в прошлом году заплатила 4 миллиарда долларов за долю в чилийской горнодобывающей компании Sociedad Química y Minera, что фактически дало ей контроль над половиной мирового производства лития, а отрасль, на которой сосредоточено внимание Tianqi, - это рынок литий-ионных аккумуляторов. , который, как ожидается, вырастет в размерах. По данным исследовательской компании Global Market Insights, с 33 миллиардов долларов в 2018 году до более 73 миллиардов долларов к 2024 году.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

Литий (называемый белым золотом) является химически активным элементом по сравнению с другими элементами, а в Южной Америке, которая производит большую часть лития в мире, белое золото извлекается из солевых поверхностей, но используемый метод является очень затратным по воде. из самых засушливых регионов мира, что касается кобальта. Другой минерал, необходимый для производства батарей, почти исключительно находится в Демократической Республике Конго, и его добыча осуществляется с помощью небезопасных методов, включая использование детей в качестве рабочей силы для экстракт кобальта.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы в настоящее время слишком дороги для вторичной переработки, а это означает, что они часто оказываются на свалках, а американцы выбрасывают около двух миллиардов литий-ионных аккумуляторов ежегодно. Однако в Швеции и Японии есть проекты, которые уже начались. Утилизируйте аккумуляторные батареи электромобилей, которые могут сохранять 70% своего заряда даже после многих лет использования.

Несмотря на быстрый рост спроса на них, литий-ионные батареи имеют и другие недостатки, такие как проблемы с безопасностью и ущерб окружающей среде, поскольку литий-ионные аккумуляторы по своей природе являются нестабильным материалом, а это означает, что они могут взорваться при повреждении или воздействии высокой температуры. 195 пожары и взрывы в период с 2009 по 2017 год, в том числе заметные проблемы, с которыми столкнулся Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году.

альтернативные решения

Некоторые исследователи и технологи пока пытаются решить эти проблемы и недостатки литий-ионных батарей, в то время как другие работают над процессом медленной эволюции, чтобы найти альтернативу литий-ионным, поскольку в настоящее время разрабатываются аммиак, магний и натрий. и все они имеют свои недостатки, включая низкое удерживание энергии и летучесть материала.

«Существуют две технологии первичных аккумуляторов, которые продемонстрируют удивительные возможности для индустрии электромобилей в течение следующего десятилетия», - говорит Джарвис То, исполнительный вице-президент по маркетингу и продукции Enevate Corporation, компании по производству литий-ионных аккумуляторов, расположенной в Ирвине, Калифорния. является активным веществом, способным накапливать литий, и обладает высокой электропроводностью.

Еще одним важным достижением является сокращение или удаление кобальта, на который в настоящее время приходится 20% стоимости материалов, используемых в обычной литий-ионной батарее. Цена на кобальт выросла с 20 долларов за метрическую тонну в 2016 году до примерно 80 долларов сегодня, поэтому Удаление кобальта является ключом к снижению стоимости Литий-ионные аккумуляторы, поэтому Panasonic и Tesla работают над удалением кобальта из своих аккумуляторов.

«Катодные технологии с низким содержанием кобальта или без кобальта могут помочь продолжить снижение стоимости батарей для электромобилей, чтобы быстрее получать более доступные и сертифицированные электромобили, поскольку катоды по-прежнему являются самым дорогим компонентом литий-ионных элементов сегодня, а анодные технологии кремний, который доминирует, предлагает очень быструю зарядку наряду с высокой плотностью энергии и функциями безопасности ».

Исследовательские группы успешно исследовали использование электродов из оксида магния, хрома и золотых нанопроволок для замены кобальта, из которого обычно сделаны катоды, а также «многоразовых» батарей, которые могут пополнять запасы электролитов. Будущая придорожная электростанция может заправить ваш электромобиль. с новым электролитом при необходимости, что устраняет проблему дальности полета, которая в настоящее время является серьезной проблемой для транспортных средств с литий-ионными аккумуляторами.

Билл Рэй, отвечающий за сектор полупроводников и электроники в исследовательской компании Gartner, говорит, что вспенивание меди может заменить ион лития менее чем за пять лет, и оно близко к производству, и с анодом большего размера, что означает, что его можно заряжать. очень быстро. Конечно, чего хотят потребители ».

Несколько компаний, в том числе Ford, разрабатывают твердотельные батареи, которые работают за счет замены сепаратора жидкого электролита твердым, и исследуется ряд потенциальных материалов, включая новые кристаллические материалы, поликристаллический кремний LTPS и суперионный проводник из гидрида лития. И керамический электролит.

Будущие технологии

Использование твердых частиц может привести к увеличению емкости батареи при одновременном снижении риска возгорания или взрыва, хотя эти материалы далеки от массового производства. Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий и Женевский университет также создали новый прототип батареи. Эта батарея может быть более эффективной, чем литий-ионная, имеет большие возможности и обеспечивает высокий уровень безопасности.

«Если вы сможете освоить надежную беспроводную зарядку на расстоянии более метра, сама технология аккумуляторов станет гораздо менее важной». «Несмотря на то, что в настоящее время проводятся первые испытания систем твердотельных аккумуляторов, твердотельные технологии в настоящее время имеют недостатки с точки зрения технологии и цены», - говорит Свен Шульц, генеральный директор немецкой компании AKASOL по производству высокопроизводительных аккумуляторов.

Он ожидает, что твердотельные батареи выйдут на рынок к 2030 году, хотя он считает, что литий-ионные батареи останутся лучшим вариантом, по крайней мере, в течение следующих десяти лет, потому что, хотя развитие литий-ионной технологии не является революционным процессом, это улучшается шаг за шагом на 2–5% в год Придерживаться этой технологии до появления новой экспериментальной технологии - это правильный поступок.

В долгосрочной перспективе некоторые эксперты имеют совершенно другой взгляд на будущее батарейного питания. Рэй говорит, что беспроводная или домашняя индукционная зарядка через подушку в гараже, на улице или на городской парковке является обычным явлением.

«На данный момент беспроводная зарядка ничем не лучше, чем зарядка с помощью кабеля. Если вы сможете освоить надежную беспроводную зарядку на расстоянии более одного метра, сама технология аккумуляторов станет гораздо менее важной. Ваше устройство постоянно полагается на зарядку».

Некоторые представители энергетической отрасли прогнозируют, что бытовые накопители энергии, такие как Powerwall от Tesla, станут стандартом, поскольку блоки содержат перезаряжаемые литий-ионные батареи, способные хранить 13.5 киловатт-часов электроэнергии, чего достаточно для питания дома среднего размера в течение дня. растет по мере того, как все больше домов оснащены солнечными батареями и ветряными турбинами, и вам необходимо хранить эту энергию.

Наконец, по мере того, как наша зависимость от различных типов батарей возрастает, коммерческий стимул к поиску новых, более надежных и эффективных решений будет возрастать, и для этого нам нужно получить больше опыта в химии, физике, инженерии и материаловедении, чтобы объединиться. и очень важно, чтобы у нас была массовая волна сотрудничества, которая решает проблемы.Разработка новых аккумуляторных технологий.

المصدر:

средний