Świat potrzebuje więcej energii, najlepiej w formie czystej i odnawialnej.Nasze strategie magazynowania energii są obecnie kształtowane przez akumulatory litowo-jonowe – będące najnowocześniejszym rozwiązaniem w tej technologii – ale czego możemy się spodziewać w nadchodzących latach?
Zacznijmy od podstaw baterii.Bateria to zestaw jednego lub więcej ogniw, z których każde ma elektrodę dodatnią (katoda), elektrodę ujemną (anodę), separator i elektrolit.Używanie do tego różnych środków chemicznych i materiałów wpływa na właściwości akumulatora – ile energii może zgromadzić i wytworzyć, ile mocy może dostarczyć lub ile razy można go rozładować i ponownie naładować (zwaną także pojemnością cykliczną).
Producenci akumulatorów nieustannie eksperymentują, aby znaleźć tańsze, gęstsze, lżejsze i mocniejsze chemikalia.Rozmawialiśmy z Patrickiem Bernardem – dyrektorem ds. badań Saft, który wyjaśnił trzy nowe technologie akumulatorów o potencjale transformacyjnym.
AKUMULATORY LITOWO-JONOWE NOWEJ GENERACJI
Co to jest?
W akumulatorach litowo-jonowych (li-ion) magazynowanie i uwalnianie energii odbywa się poprzez ruch jonów litu od elektrody dodatniej do ujemnej tam i z powrotem poprzez elektrolit.W tej technologii elektroda dodatnia działa jako początkowe źródło litu, a elektroda ujemna jako żywiciel litu.Pod nazwą akumulatorów litowo-jonowych zebrano kilka składników chemicznych, będących wynikiem dziesięcioleci selekcji i optymalizacji bliskich doskonałości dodatnich i ujemnych materiałów aktywnych.Litowane tlenki lub fosforany metali są najpowszechniejszym materiałem stosowanym jako obecne materiały pozytywowe.Jako materiały ujemne stosuje się grafit, ale także grafit/krzem lub litowane tlenki tytanu.
Biorąc pod uwagę aktualne materiały i konstrukcje ogniw, oczekuje się, że w nadchodzących latach technologia litowo-jonowa osiągnie limit energii.Niemniej jednak niedawne odkrycia nowych rodzin przełomowych materiałów aktywnych powinny odblokować obecne ograniczenia.Te innowacyjne związki mogą przechowywać więcej litu w elektrodach dodatnich i ujemnych i po raz pierwszy pozwolą na połączenie energii i mocy.Ponadto w przypadku tych nowych związków uwzględniono również niedobór i krytyczność surowców.
Jakie są jego zalety?
Obecnie spośród wszystkich najnowocześniejszych technologii magazynowania, technologia akumulatorów litowo-jonowych umożliwia najwyższy poziom gęstości energii.Wydajność, taką jak szybkie ładowanie lub zakres temperatur pracy (od -50°C do 125°C), można dostosować dzięki dużemu wyborowi konstrukcji ogniw i składu chemicznego.Co więcej, akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się dodatkowymi zaletami, takimi jak bardzo niski poziom samorozładowania oraz bardzo długa żywotność i wydajność cykliczna, zazwyczaj tysiące cykli ładowania/rozładowania.
Kiedy możemy się tego spodziewać?
Oczekuje się, że nowa generacja zaawansowanych akumulatorów litowo-jonowych zostanie wdrożona przed pierwszą generacją akumulatorów półprzewodnikowych.Będą idealne do zastosowań takich jak systemy magazynowania energiiodnawialne źródła energiii transport (morski, szyny kolejowe,lotnictwoi mobilność poza drogami), gdzie wymagana jest wysoka energia, duża moc i bezpieczeństwo.
AKUMULATORY LITOWO-SIARKOWE
Co to jest?
W akumulatorach litowo-jonowych jony litu są przechowywane w materiałach aktywnych, które działają jako stabilne struktury gospodarza podczas ładowania i rozładowywania.W akumulatorach litowo-siarkowych (Li-S) nie ma struktur macierzystych.Podczas rozładowywania anoda litowa ulega zużyciu, a siarka przekształca się w różnorodne związki chemiczne;podczas ładowania następuje proces odwrotny.
Jakie są jego zalety?
W akumulatorze Li-S zastosowano bardzo lekkie materiały aktywne: siarkę w elektrodzie dodatniej i metaliczny lit w elektrodzie ujemnej.Dlatego jego teoretyczna gęstość energii jest wyjątkowo wysoka: czterokrotnie większa niż w przypadku litu-jonu.Dzięki temu doskonale sprawdza się w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Firma Saft wybrała i faworyzowała najbardziej obiecującą technologię Li-S opartą na elektrolicie w stanie stałym.Ta ścieżka techniczna zapewnia bardzo wysoką gęstość energii, długą żywotność i przezwycięża główne wady Li-S na bazie cieczy (ograniczona żywotność, wysokie samorozładowanie,…).
Co więcej, technologia ta stanowi uzupełnienie litowo-jonowego w stanie stałym dzięki doskonałej grawimetrycznej gęstości energii (+30% w przeliczeniu na Wh/kg).
Kiedy możemy się tego spodziewać?
Główne bariery technologiczne zostały już pokonane, a poziom dojrzałości postępuje bardzo szybko w kierunku pełnowymiarowych prototypów.
Oczekuje się, że w przypadku zastosowań wymagających długiego czasu pracy baterii technologia ta trafi na rynek zaraz po litowo-jonowych w stanie stałym.
BATERIE PÓŁPRZEWODOWE
Co to jest?
Baterie półprzewodnikowe reprezentują zmianę paradygmatu pod względem technologicznym.W nowoczesnych akumulatorach litowo-jonowych jony przemieszczają się z jednej elektrody na drugą poprzez ciekły elektrolit (zwane także przewodnictwem jonowym).W akumulatorach całkowicie półprzewodnikowych ciekły elektrolit zastępuje się związkiem stałym, który mimo to umożliwia migrację w nim jonów litu.Koncepcja ta nie jest nowa, ale w ciągu ostatnich 10 lat – dzięki intensywnym światowym badaniom – odkryto nowe rodziny elektrolitów stałych o bardzo wysokiej przewodności jonowej, podobnej do elektrolitu ciekłego, co pozwala pokonać tę szczególną barierę technologiczną.
Dzisiaj,SaftWysiłki badawczo-rozwojowe koncentrują się na 2 głównych typach materiałów: polimerach i związkach nieorganicznych, mając na celu synergię właściwości fizykochemicznych, takich jak przetwarzalność, stabilność, przewodność…
Jakie są jego zalety?
Pierwszą ogromną zaletą jest wyraźna poprawa bezpieczeństwa na poziomie ogniw i akumulatorów: elektrolity stałe są niepalne po podgrzaniu, w przeciwieństwie do ich płynnych odpowiedników.Po drugie, pozwala na zastosowanie innowacyjnych materiałów o dużej pojemności, pracujących pod wysokim napięciem, dzięki czemu można uzyskać gęstsze i lżejsze akumulatory o lepszym okresie trwałości w wyniku zmniejszonego samorozładowania.Co więcej, na poziomie systemowym przyniesie dodatkowe korzyści, takie jak uproszczona mechanika oraz zarządzanie temperaturą i bezpieczeństwem.
Ponieważ akumulatory mogą wykazywać wysoki stosunek mocy do masy, mogą idealnie nadawać się do stosowania w pojazdach elektrycznych.
Kiedy możemy się tego spodziewać?
W miarę postępu technologicznego na rynku prawdopodobnie pojawi się kilka rodzajów akumulatorów całkowicie półprzewodnikowych.Pierwszą z nich będą akumulatory półprzewodnikowe z anodami na bazie grafitu, zapewniające lepszą wydajność energetyczną i bezpieczeństwo.Z czasem na rynku powinny pojawić się lżejsze technologie akumulatorów półprzewodnikowych wykorzystujące metaliczną anodę litową.
Czas publikacji: 03 sierpnia 2022 r