Ο κόσμος χρειάζεται περισσότερη δύναμη, κατά προτίμηση σε μια μορφή που είναι καθαρή και ανανεώσιμη.Οι στρατηγικές μας για την αποθήκευση ενέργειας διαμορφώνονται επί του παρόντος από μπαταρίες ιόντων λιθίου – στην αιχμή μιας τέτοιας τεχνολογίας – αλλά τι μπορούμε να προσβλέπουμε στα επόμενα χρόνια;
Ας ξεκινήσουμε με μερικά βασικά στοιχεία της μπαταρίας.Μια μπαταρία είναι ένα πακέτο από ένα ή περισσότερα στοιχεία, καθένα από τα οποία έχει ένα θετικό ηλεκτρόδιο (την κάθοδο), ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (την άνοδο), έναν διαχωριστή και έναν ηλεκτρολύτη.Η χρήση διαφορετικών χημικών και υλικών για αυτά επηρεάζει τις ιδιότητες της μπαταρίας – πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει και να παράγει, πόση ισχύ μπορεί να παρέχει ή πόσες φορές μπορεί να αποφορτιστεί και να επαναφορτιστεί (ονομάζεται επίσης χωρητικότητα ποδηλασίας).
Οι εταιρείες μπαταριών πειραματίζονται συνεχώς για να βρουν χημικές ουσίες που είναι φθηνότερες, πιο πυκνές, ελαφρύτερες και πιο ισχυρές.Μιλήσαμε με τον Patrick Bernard – Saft Research Director, ο οποίος εξήγησε τρεις νέες τεχνολογίες μπαταριών με δυνατότητες μετασχηματισμού.
ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ ΝΕΑΣ ΓΕΝΙΑΣ
Τι είναι αυτό?
Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου (ιόντων λιθίου), η αποθήκευση και η απελευθέρωση ενέργειας παρέχεται από την κίνηση των ιόντων λιθίου από το θετικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο εμπρός και πίσω μέσω του ηλεκτρολύτη.Σε αυτήν την τεχνολογία, το θετικό ηλεκτρόδιο ενεργεί ως αρχική πηγή λιθίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο ως ξενιστής για το λίθιο.Πολλές χημείες συγκεντρώνονται με το όνομα μπαταρίες ιόντων λιθίου, ως αποτέλεσμα δεκαετιών επιλογής και βελτιστοποίησης κοντά στην τελειότητα θετικών και αρνητικών ενεργών υλικών.Τα οξείδια ή τα φωσφορικά λιθιωμένα μέταλλα είναι το πιο κοινό υλικό που χρησιμοποιείται ως παρόντα θετικά υλικά.Ως αρνητικά υλικά χρησιμοποιούνται γραφίτης, αλλά και οξείδια γραφίτη/πυριτίου ή λιθιωμένου τιτανίου.
Με πραγματικά υλικά και σχέδια κυψελών, η τεχνολογία ιόντων λιθίου αναμένεται να φτάσει σε ένα ενεργειακό όριο τα επόμενα χρόνια.Παρόλα αυτά, οι πολύ πρόσφατες ανακαλύψεις νέων οικογενειών ενεργών υλικών που διαταράσσουν την ενέργεια θα πρέπει να ξεκλειδώσουν τα σημερινά όρια.Αυτές οι καινοτόμες ενώσεις μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερο λίθιο σε θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια και θα επιτρέψουν για πρώτη φορά να συνδυάσουν ενέργεια και ισχύ.Επιπλέον, με αυτές τις νέες ενώσεις, λαμβάνεται επίσης υπόψη η σπανιότητα και η κρισιμότητα των πρώτων υλών.
Ποια είναι τα πλεονεκτήματά του;
Σήμερα, μεταξύ όλων των τεχνολογιών αποθήκευσης αιχμής, η τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου επιτρέπει το υψηλότερο επίπεδο ενεργειακής πυκνότητας.Οι επιδόσεις όπως το παράθυρο λειτουργίας γρήγορης φόρτισης ή θερμοκρασίας (-50°C έως 125°C) μπορούν να βελτιστοποιηθούν από τη μεγάλη επιλογή σχεδιασμού και χημικών στοιχείων κυψέλης.Επιπλέον, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παρουσιάζουν πρόσθετα πλεονεκτήματα, όπως πολύ χαμηλή αυτοεκφόρτιση και πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής και απόδοση ποδηλασίας, συνήθως χιλιάδες κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης.
Πότε μπορούμε να το περιμένουμε;
Η νέα γενιά προηγμένων μπαταριών ιόντων λιθίου αναμένεται να αναπτυχθεί πριν από την πρώτη γενιά μπαταριών στερεάς κατάστασης.Θα είναι ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές όπως τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας γιαανανεώσιμες πηγές ενέργειαςκαι μεταφορά (θαλάσσια, σιδηρόδρομοι,αεροπορίακαι κινητικότητα εκτός δρόμου) όπου η υψηλή ενέργεια, η υψηλή ισχύς και η ασφάλεια είναι υποχρεωτικές.
ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΛΙΘΙΟΥ-ΘΕΙΟΥ
Τι είναι αυτό?
Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τα ιόντα λιθίου αποθηκεύονται σε ενεργά υλικά που λειτουργούν ως σταθερές δομές ξενιστή κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση.Στις μπαταρίες λιθίου-θείου (Li-S), δεν υπάρχουν δομές ξενιστή.Κατά την εκφόρτιση, η άνοδος λιθίου καταναλώνεται και το θείο μετατρέπεται σε μια ποικιλία χημικών ενώσεων.κατά τη φόρτιση λαμβάνει χώρα η αντίστροφη διαδικασία.
Ποια είναι τα πλεονεκτήματά του;
Μια μπαταρία Li-S χρησιμοποιεί πολύ ελαφριά ενεργά υλικά: θείο στο θετικό ηλεκτρόδιο και μεταλλικό λίθιο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο.Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η θεωρητική ενεργειακή του πυκνότητα είναι εξαιρετικά υψηλή: τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του ιόντος λιθίου.Αυτό το καθιστά κατάλληλο για τις αεροπορικές και διαστημικές βιομηχανίες.
Η Saft επέλεξε και ευνόησε την πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία Li-S που βασίζεται σε ηλεκτρολύτη στερεάς κατάστασης.Αυτό το τεχνικό μονοπάτι φέρνει πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, μεγάλη διάρκεια ζωής και ξεπερνά τα κύρια μειονεκτήματα του υγρού Li-S (περιορισμένη διάρκεια ζωής, υψηλή αυτοεκφόρτιση,…).
Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία είναι συμπληρωματική στα ιόντα λιθίου στερεάς κατάστασης χάρη στην ανώτερη βαρυμετρική πυκνότητα ενέργειας (+30% σε κίνδυνο σε Wh/kg).
Πότε μπορούμε να το περιμένουμε;
Τα μεγάλα τεχνολογικά εμπόδια έχουν ήδη ξεπεραστεί και το επίπεδο ωριμότητας εξελίσσεται πολύ γρήγορα προς τα πρωτότυπα πλήρους κλίμακας.
Για εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, αυτή η τεχνολογία αναμένεται να φτάσει στην αγορά αμέσως μετά τα ιόντα λιθίου στερεάς κατάστασης.
ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ
Τι είναι αυτό?
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντιπροσωπεύουν μια αλλαγή παραδείγματος όσον αφορά την τεχνολογία.Στις σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου, τα ιόντα μετακινούνται από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο κατά μήκος του υγρού ηλεκτρολύτη (ονομάζεται επίσης ιοντική αγωγιμότητα).Στις μπαταρίες πλήρως στερεάς κατάστασης, ο υγρός ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται από μια στερεή ένωση η οποία ωστόσο επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να μεταναστεύσουν μέσα σε αυτόν.Αυτή η ιδέα απέχει πολύ από το να είναι νέα, αλλά τα τελευταία 10 χρόνια –χάρη σε εντατική παγκόσμια έρευνα– ανακαλύφθηκαν νέες οικογένειες στερεών ηλεκτρολυτών με πολύ υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, παρόμοια με τον υγρό ηλεκτρολύτη, επιτρέποντας να ξεπεραστεί αυτό το συγκεκριμένο τεχνολογικό εμπόδιο.
Σήμερα,SaftΟι προσπάθειες Έρευνας & Ανάπτυξης επικεντρώνονται σε 2 κύριους τύπους υλικών: πολυμερή και ανόργανες ενώσεις, με στόχο τη συνέργεια των φυσικοχημικών ιδιοτήτων όπως η επεξεργασιμότητα, η σταθερότητα, η αγωγιμότητα…
Ποια είναι τα πλεονεκτήματά του;
Το πρώτο τεράστιο πλεονέκτημα είναι η αξιοσημείωτη βελτίωση της ασφάλειας σε επίπεδο κυψελών και μπαταρίας: οι στερεοί ηλεκτρολύτες δεν είναι εύφλεκτοι όταν θερμαίνονται, σε αντίθεση με τους αντίστοιχους υγρούς.Δεύτερον, επιτρέπει τη χρήση καινοτόμων υλικών υψηλής χωρητικότητας υψηλής τάσης, επιτρέποντας πυκνότερες, ελαφρύτερες μπαταρίες με καλύτερη διάρκεια ζωής ως αποτέλεσμα μειωμένης αυτοεκφόρτισης.Επιπλέον, σε επίπεδο συστήματος, θα φέρει πρόσθετα πλεονεκτήματα όπως απλοποιημένη μηχανική καθώς και διαχείριση θερμικής και ασφάλειας.
Καθώς οι μπαταρίες μπορούν να παρουσιάζουν υψηλή αναλογία ισχύος προς βάρος, μπορεί να είναι ιδανικές για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα.
Πότε μπορούμε να το περιμένουμε;
Αρκετά είδη μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι πιθανό να κυκλοφορήσουν στην αγορά καθώς η τεχνολογική πρόοδος συνεχίζεται.Οι πρώτες θα είναι μπαταρίες στερεάς κατάστασης με ανόδους με βάση τον γραφίτη, φέρνοντας βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση και ασφάλεια.Με τον καιρό, οι ελαφρύτερες τεχνολογίες μπαταριών στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιούν μεταλλική άνοδο λιθίου θα γίνουν διαθέσιμες στο εμπόριο.
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-03-2022