Літій-іонні акумулятори несправні і потребують модернізації

Вірте чи ні, але смартфон, який ви тримаєте в руці, був потужнішим, ніж обчислювальна мережа NASA, яка використовувалася для виведення людей на поверхню Місяця в 1969 році, а за допомогою смартфона ви також можете телефонувати та надсилати повідомлення як інші дивовижні функції, такі як гра в ігри та відтворення відео. Обробка зображень, трансляція та інші функції, які ми не можемо повністю перерахувати, але всі функції, які ви отримуєте через смартфон, можуть зникнути, і пристрій стане марним, якщо він не має потужної та акумуляторної батареї, яка може тривати довгий час, але використовувана технологія все ще бракує і потребує розробки.

Літій-іонні акумулятори

Перша свинцево-кислотна акумуляторна батарея була розроблена в 1859 році фізиком Гастон ПлантіА в 1980 році розвивайте світ Джон Гуднав Катодний акумулятор з оксидом літію кобальту, який продавався компанією Sony і використовувався для акумуляторів стільникових телефонів у 1991 році, і за це досягнення Годнав був нагороджений Нобелівською премією в жовтні разом з колегами-хіміками М. Стенлі Уіттінгемом та Акірою Йошино.

Літій-іонні батареї працюють, поєднуючи катод з оксидом літію (позитивний електрод) з анодом (негативний електрод) і електролітом (сепаратором), що використовуються в якості провідника, коли акумулятор заряджається і розряджається, іони рухаються між електродами і виробляють енергію що батарея може потім використовувати.

Лише п’ять компаній в Японії, Китаї та Південній Кореї виробляють 62% світових літій-іонних акумуляторів. Попит різко зріс з 2015 року, коли Китай почав агресивно стимулювати вітчизняне виробництво електромобілів поряд із постійним глобальним зростанням продажів смартфонів, планшетів та ноутбуків .

В даний час Китай виробляє 60% електромобілів у світі і намагається забезпечити контроль над літієм, який є рясним природним мінералом, що міститься в солоній воді і в основному виробляється в Південній Америці, зокрема в Болівії, Чилі та Аргентині.

Китайська компанія Tianqi Lithium минулого року заплатила 4 мільярди доларів за частку чилійської гірничодобувної компанії Sociedad Química y Minera, фактично надавши їй контроль над половиною світового виробництва літію, а галузь, на якій зосереджується Tianqi, - це ринок літій-іонних акумуляторів , який, як очікується, збільшиться в розмірі. З 33 мільярдів доларів у 2018 році до понад 73 мільярдів доларів до 2024 року, згідно з даними дослідницької компанії Global Market Insights.

Недоліки літій-іонних батарей

Літій (так зване біле золото) є хімічно активним елементом у порівнянні з іншими елементами, а в Південній Америці, де виробляється більшість літію у світі, біле золото добувають із сольових поверхонь, але використовуваний метод дуже споживає воду в одному Інший мінерал, необхідний для виробництва батарей, майже виключно знаходиться в Демократичній Республіці Конго, і його видобувають через небезпечні практики, включаючи використання дітей як робочої сили для екстракт кобальту.

Більше того, літій-іонні акумулятори в даний час занадто дорогі, щоб їх можна було переробити, а це означає, що вони часто потрапляють на звалища, а американці щороку утилізують близько двох мільярдів літій-іонних акумуляторів. Однак у Швеції та Японії вже розпочаті проекти Утилізуйте акумулятори електромобілів, які можуть зберігати 70% заряду навіть після багатьох років використання.

Незважаючи на стрімкий ріст попиту на них, літій-іонні батареї мають інші недоліки, такі як проблеми безпеки та екологічна шкода, оскільки літій-іонний за своєю суттю нестійкий матеріал, і це означає, що він може вибухнути при пошкодженні або дії високої температури. пожежі та вибухи між 195 і 2009 роками, включаючи помітні проблеми, з якими зіткнувся Samsung Galaxy Note 2017 у 7 році.

альтернативні рішення

Деякі дослідники та технологи намагаються вирішити ці виклики та недоліки літій-іонних акумуляторів, поки інші працюють над повільним процесом еволюції, щоб знайти альтернативу літій-іонним, оскільки аміак, магній і натрій розробляються на даний момент. і всі мають свої недоліки, включаючи низький рівень утримання енергії та мінливість матеріалу.

"Є дві основні технології акумуляторів, які демонструють дивовижні можливості для електромобілів протягом наступного десятиліття", - говорить Джарвіс Тое, виконавчий віце-президент з маркетингу та продуктів корпорації Enevate, літій-іонної акумуляторної компанії, що базується в Ірваїні, штат Каліфорнія. є активною речовиною, яка може зберігати літій, і вона має високу електропровідність.

Ще однією важливою подією є зменшення або видалення кобальту, на який в даний час припадає 20% вартості матеріалів, що використовуються в звичайній літій-іонній батареї. Ціна кобальту зросла з 20 2016 доларів за метричну тонну в 80 році до близько XNUMX XNUMX доларів сьогодні, тому видалення кобальту - це ключ до зниження вартості. Літій-іонні батареї, саме тому Panasonic і Tesla працюють над вилученням кобальту зі своїх батарей.

"Технології катодів з низьким вмістом кобальту або без кобальту можуть допомогти продовжувати знижувати вартість електроакумуляторів, щоб швидше отримати доступні, сертифіковані електромобілі, оскільки катоди продовжують залишатися найдорожчим компонентом літій-іонної комірки сьогодні, а також анодні технології, які Silicon пропонує дуже швидкі можливості зарядки, а також високу щільність енергії та функції безпеки ".

Дослідницькі групи успішно дослідили використання електродів з оксиду хрому магнію та золотих нанопровідників для заміни кобальту, з якого зазвичай виготовляються катоди, а також "багаторазових" акумуляторів, які можуть поповнювати електроліти. Майбутня придорожня електростанція може заправити ваш електромобіль з новим електролітом, коли виникає потреба, що усуває проблеми, пов'язані з діапазоном, що в даний час є основною проблемою для автомобілів з літій-іонними акумуляторами.

Біл Рей, який відповідає за сектор напівпровідників та електроніки в дослідницькій компанії Gartner, каже, що піноутворення міді може замінити іон літію менш ніж за п’ять років, і це близько до виробництва, і з більшим анодом, що означає, що його можна заряджати дуже швидко. Звичайно, що хочуть споживачі ".

Кілька компаній, включаючи Ford, розробляють твердотільні батареї, які працюють, замінюючи рідкий електролітний сепаратор твердим, і досліджується ряд потенційних матеріалів, включаючи нові кристалічні матеріали, полікристалічний кремній LTPS та суперіонний гідридний провідник літію. І керамічний електроліт.

Технології майбутнього

Використання твердих речовин може призвести до збільшення ємності акумулятора, одночасно зменшуючи ризик пожежі чи вибуху, хоча ці матеріали далекі від загальновиробничого виробництва. Швейцарська Федеральна лабораторія з матеріалознавства та університету Женеви також створили новий прототип батареї відомий як "твердий стан". У повному обсязі ця батарея може бути більш ефективною, ніж літій-іонна, має більші можливості та забезпечує високий рівень безпеки.

"Якщо ви можете освоїти надійну бездротову зарядку більше одного метра, сама технологія батареї стає набагато менш важливою". "Незважаючи на те, що зараз проводяться перші випробування з твердотільними акумуляторними системами, твердотільна технологія наразі має недоліки з точки зору технології та ціни", - говорить Свен Шульц, генеральний директор німецької компанії AKASOL щодо високоефективних акумуляторів.

Він очікує, що твердотільні акумулятори вийдуть на ринок до 2030 року, хоча він вважає, що літій-іонні батареї залишаться найкращим варіантом принаймні протягом наступних десяти років, оскільки, хоча розвиток літій-іонних технологій не є революційним процесом, це вдосконалення крок за кроком на 2% до 5%.% на рік. Дотримуватися цієї технології до появи нової експериментальної технології - це правильно робити.

У довгостроковій перспективі деякі експерти мають зовсім інший погляд на майбутнє заряду акумулятора, Рей каже, що бездротова або крита індукційна зарядка за допомогою подушки в гаражі, на вулиці чи на міській стоянці є звичним явищем.

"На даний момент бездротова зарядка насправді не краща, ніж заряджання за допомогою кабелю. Якщо ви зможете освоїти надійну бездротову зарядку більше одного метра, сама технологія батареї стає набагато менш важливою. Ваш пристрій постійно покладається на зарядку".

Деякі представники енергетичної галузі прогнозують, що внутрішні накопичувачі енергії, такі як Powerwall Tesla, стануть стандартними, оскільки в них є акумуляторні літій-іонні акумулятори, які можуть зберігати 13.5 кіловат-годин електроенергії, достатньої для живлення середнього будинку протягом доби. попит зростає, оскільки все більше будинків оснащуються сонячними батареями та вітрогенераторами, і вам потрібно зберігати цю енергію.

Нарешті, із збільшенням нашої залежності від різних типів акумуляторів комерційний стимул буде збільшуватися для пошуку нових, більш надійних та ефективних рішень, і для цього нам потрібно отримати більше досвіду в галузі хімії, фізики, техніки та матеріалознавства, щоб об’єднатися разом і надзвичайно важливо, щоб у нас була велика хвиля співпраці, яка вирішує проблеми: Розробка нових технологій акумуляторів.

Джерело:

середа