Lumea așteaptă o descoperire a bateriei. Aproape fiecare sector al industriei electronice, tot ceea ce rulează pe o baterie, este limitat de puterea de ieșire și durata de energie a bateriilor care o rulează.
Continut Asemanator
- De ce sarea este cel mai valoros element al acestei centrale
- Nu ar trebui niciodată să conectați acest telefon mobil fără baterie
"Progresul sau avansarea bateriilor este mult mai lent decât în alte domenii, iar aceasta este o limitare intrinsecă a bateriilor", spune Stefano Passerini, redactor-șef al Journal of Power Sources . „Nu vă puteți aștepta la o baterie care poate furniza energie unui telefon mobil pentru o săptămână sau o lună. La sfârșit, cantitatea maximă de energie pe care o puteți stoca într-o baterie este fixată de elementele disponibile. "
Dar există progrese. Cercetătorii lucrează la îmbunătățirea densității energetice (suc pe greutate și volum), prețul, siguranța, impactul asupra mediului și chiar durata de viață a celei mai populare clase, baterii cu ioni de litiu, precum și proiectarea unor tipuri cu totul noi.
Majoritatea bateriilor pot fi găsite în trei industrii principale: electronice de consum, automobile și stocare rețea.
„Le-aș numi cele trei mari găleți de unde oamenii se intersectează cu bateriile”, spune Venkat Srinivasan, director adjunct de cercetare și dezvoltare la Centrul comun de cercetare a stocării energiei din cadrul Departamentului Energiei. Fiecare găleată are cerințe diferite și, astfel, bateriile utilizate pot (uneori) să fie foarte diferite unele de altele. Telefonul din buzunar are nevoie de o baterie compactă și sigură, dar greutatea și costul sunt mai puțin importante. Măriți-vă până la bateriile auto și cu atât de multe baterii, costul și greutatea devin importante, precum și durata de viață (ați fi foarte nebun dacă acest Tesla nou ar cere baterii noi la fiecare doi ani). Măriți și mai mult, iar bateriile care încep să fie utilizate pentru a stoca energie pentru case și rețea au cerințe de greutate sau dimensiuni foarte mici.
Timp de zeci de ani, electronica de consum - telefonul, computerul, aparatul foto, tableta, drone, chiar și ceasul dvs. - au pornit pe baterii cu litiu-ion, datorită reîncărcării ușoare și a densității energetice ridicate. În aceste baterii, un anod de grafit, umplut cu ioni de litiu, formează anodul. Un oxid formează catodul, conectat la terminalul opus, iar cele două sunt separate de un electrolit lichid care permite trecerea ionilor prin el. Când bornele externe sunt conectate, litiu se oxidează și ionii curg spre catod. Încărcarea este doar invers. Cu cât mai mulți ioni de litiu pot fi transferați în acest fel, cu atât mai multă putere poate avea bateria. Am ajuns să apreciem dimensiunea compactă și ușurința de utilizare, dacă nu chiar durata de viață și siguranța bateriei. Dar este posibil să nu existe prea mult spațiu pentru îmbunătățiri suplimentare, spune Passernini.
„Acum, bateriile cu ioni de litiu sunt aproape de limită”, spune el. „Deși am spus deja acest lucru în urmă cu aproximativ 10 ani, iar îmbunătățirile din ultimii 10 ani au fost destul de substanțiale.”
În cazul mașinilor, bateriile sunt responsabile în cele din urmă de viața mașinii și de îngrijorarea îngrozită a intervalului atunci când vine vorba de mașini electrice. Pentru a rezolva această problemă, inginerii și oamenii de știință încearcă să adune mai multe capacități de tensiune în baterii. Dar asta este adesea asociat cu reacții chimice defecte, care diminuează capacitatea în timp. O mare cantitate de cercetări este dedicată găsirii de noi materiale și substanțe chimice pentru a ajuta sau înlocui rețeaua de litiu-ion sau alte părți ale bateriei.
Srinivasan subliniază câteva potențiale inovații, iar acestea nu sunt doar pentru mașini: tradiționala grilă de anod grafit ar putea fi înlocuită cu siliciu, care deține de 10 ori mai mulți ioni de litiu. Dar siliciul tinde să se extindă pe măsură ce absoarbe litiu, astfel încât bateriile vor trebui să țină cont de asta. Sau: În loc de zăbrele, litiu-metal ar putea acționa ca anodul - cu condiția să ne dăm seama cum să-l ferim de scurtarea catastrofică la reîncărcare. Este o problemă pe care producătorii de baterii încearcă să o rezolve de când a fost inventată acumulatorul litiu-ion cu zeci de ani în urmă. „Am avut o speranță foarte mare că suntem într-un moment în care poate fi abordată din nou această problemă de 30 de ani”, spune Srinivasan.
Poate că litiu ar putea fi înlocuit în întregime. Cercetătorii se uită la moduri de a utiliza sodiu sau magneziu în schimb, iar Centrul comun de cercetare a stocării de energie utilizează modelarea computerului pentru a investiga materialele pe bază de oxid, proiectate personalizat, care ar putea funcționa ca un catod pentru un anod de magneziu. Magneziul este deosebit de atractiv, deoarece structura sa îi permite să accepte doi electroni pe atom, dublând sarcina pe care o poate deține.
Prashant Jain și colaboratorii săi de la Universitatea din Illinois lucrează la o fațetă diferită a bateriilor cu litiu: electrolitul. Electrolitul este fluidul care umple spațiul dintre cation (ion încărcat pozitiv) și anion (ion încărcat negativ), permițând circulației particulelor încărcate. De multă vreme se știe că anumite materiale solide, cum ar fi selenura de cupru, vor permite, de asemenea, să iasă ioni, dar nu suficient de repede pentru a rula dispozitive cu putere mare. Jain, profesor asistent de chimie, și studenții săi, au dezvoltat un solid superionic, format din nanoparticule de selenidă de cupru, care are proprietăți diferite. Permite particulelor încărcate să curgă într-un ritm comparabil cu un electrolit lichid.
Beneficiile potențiale ale acestei tehnologii sunt duble: siguranța și ciclul de viață. Dacă o baterie litiu-ion curentă este deteriorată, bateria se scurtează și se încălzește. Lichidul se vaporizează și nu există nimic care să împiedice descărcarea rapidă de energie - boom. Un solid va preveni acest scurt și va permite un anod complet de metal, care oferă o capacitate de energie mai mare. În plus, în cicluri repetate, electroliții lichizi încep să dizolve catodul și anodul, iar acesta este un motiv principal pentru care bateriile nu reușesc să se încarce.
„Au fost toate aceste îmbunătățiri care au făcut unele progrese. Dar nu a existat niciodată o descoperire dramatică mare, o tehnologie perturbatoare, în care se poate spune acum, electrolitul solid se potrivește cu adevărat la potențial în ceea ce privește transportul ionilor care electroliții lichizi [pot], ”spune Jain. „Acum că problemele de siguranță sunt în prim plan, cu electroliți lichizi, cercetătorii au fost ca, poate trebuie să ne gândim la ceva dramatic cu electroliți solizi și, odată pentru totdeauna, să facem unul care să înlocuiască un electrolit lichid.”
John Goodenough, co-inventatorul bateriei litiu-ion, dezvoltă o baterie cu un electrolit pe bază de sticlă. (Cockrell School of Engineering, Universitatea din Texas din Austin) Unul dintre co-inventatorii bateriei originale de litiu-ion însuși ia o altă abordare către electroliții cu stare solidă: John Goodenough, profesor emerit de inginerie la Universitatea din Texas, a publicat și a depus o cerere de brevet pentru o baterie cu un pahar -electrolit bazat. Impregnând sticla cu litiu sau sodiu, Goodenough a reușit să permită curentului să curgă și mai rapid, prevenind în același timp pantaloni scurți și creșterea capacității energetice cu un anod solid.
Toate aceste cercetări vor influența bateriile din buzunare și automobilele noastre. Dar există o a treia categorie, în care impacturile sunt globale.
Melanie Sanford folosește instrumente de modelare pe un alt tip de baterie - baterii uriașe, cu flux redox, care vor stoca energia de la centralele regenerabile și le vor elibera atunci când vântul și soarele nu sunt disponibile. Seara vârfurilor și văilor producției și consumului de energie va ajuta scala regenerabilă pentru a oferi mai mult decât doar o putere suplimentară.
Edisonul din sudul Californiei experimentează deja cu băncile de baterii, folosind baterii auto Tesla, dar, deoarece bateriile sunt bazate pe ioni de litiu tradiționale, sunt prea scumpe pentru a fi utilizate pe o scară care va permite energia regenerabilă la nivel mondial. În plus, constrângerile pentru o baterie de rețea sunt mult diferite decât o mașină. Greutatea și dimensiunea nu sunt o problemă, dar prețul și durata de viață sunt.
Într-o baterie cu flux redox, materialul de stocare a energiei este ținut în formă lichidă în rezervoare mari, apoi este pompat într-o celulă mai mică, unde reacționează cu un aparat similar care are sarcina opusă. Modelarea computerizată a permis laboratorului Sanford să proiecteze personalizat molecule organice, ceea ce a dus la o creștere de o mie de ori, de la mai puțin de o zi la luni, în timpul în care aceste molecule rămân stabile.
„Pentru sursa la scară de rețea, genul de lucruri de care aveți nevoie sunt materiale care sunt super ieftine, pentru că vorbim despre baterii uriașe”, spune Sanford. „Vorbim despre o fermă eoliană, apoi o zonă comparabilă de depozite care dețin aceste baterii.”
Potrivit Sanford, inovațiile vor veni atât din știința materialelor - dezvoltarea de noi materiale pentru a pune bateriile noastre, cât și de la ingineri care vor face sistemele construite în jurul acestor materiale mai eficiente. Ambele vor fi necesare, însă conducta de la cercetare la producție va fi neapărat un alt blocaj.
„Toată lumea ar trebui să fie conștientă de faptul că nu există o singură baterie care să se potrivească tuturor aplicațiilor”, spune Passerini. „Este clar că chiar să câștigi puțin - 10%, 20% performanță - este o problemă mare. Trebuie să facem cercetări în domeniu. Oamenii de știință trebuie să fie susținuți.
