Світ потребує більше енергії, бажано у формі, яка є чистою та відновлюваною.Наші стратегії накопичення енергії наразі формуються завдяки літій-іонним батареям — передовим технологіям — але на що ми можемо сподіватися через роки?
Почнемо з деяких основ батареї.Акумуляторна батарея — це пакет з одного або кількох елементів, кожен з яких має позитивний електрод (катод), негативний електрод (анод), сепаратор і електроліт.Використання для цього різних хімічних речовин і матеріалів впливає на властивості батареї – скільки енергії вона може накопичувати та видавати, яку потужність вона може забезпечити або кількість разів, коли її можна розряджати та перезаряджати (також називається циклічною ємністю).
Компанії з виробництва акумуляторів постійно експериментують, щоб знайти дешевші, щільніші, легші та потужніші хімікати.Ми поговорили з Патріком Бернардом, директором з досліджень Saft, який пояснив три нові технології акумуляторів із трансформаційним потенціалом.
ЛІТІЙ-ІОННІ АКУМУЛЯТОРИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ
Що це?
У літій-іонних (li-ion) батареях накопичення та вивільнення енергії забезпечується рухом іонів літію від позитивного до негативного електрода вперед і назад через електроліт.У цій технології позитивний електрод виступає в якості вихідного джерела літію, а негативний електрод – в якості хоста для літію.Декілька хімікатів зібрано під назвою літій-іонні батареї в результаті десятиліть відбору та оптимізації, близьких до досконалості позитивних і негативних активних матеріалів.Літовані оксиди або фосфати металів є найпоширенішим матеріалом, який використовується як поточні позитивні матеріали.Графіт, а також графіт/кремній або літійовані оксиди титану використовуються як негативні матеріали.
Очікується, що з наявними матеріалами та конструкцією елементів літій-іонна технологія досягне межі енергоспоживання в найближчі роки.Тим не менш, зовсім нещодавні відкриття нових сімейств руйнівних активних матеріалів повинні розблокувати поточні обмеження.Ці інноваційні сполуки можуть зберігати більше літію в позитивних і негативних електродах і вперше дозволять поєднати енергію та потужність.Крім того, з цими новими сполуками також враховується дефіцит і критичність сировини.
Які його переваги?
Сьогодні серед усіх найсучасніших технологій зберігання даних технологія літій-іонних акумуляторів забезпечує найвищий рівень щільності енергії.Такі характеристики, як швидке заряджання або робоче вікно температури (від -50 °C до 125 °C), можна налаштувати за допомогою великого вибору конструкції елемента та хімічних речовин.Крім того, літій-іонні батареї демонструють додаткові переваги, такі як дуже низький саморозряд і дуже тривалий термін служби та циклічні характеристики, як правило, тисячі циклів заряджання/розряджання.
Коли можна очікувати?
Очікується, що нове покоління вдосконалених літій-іонних батарей буде розгорнуто раніше першого покоління твердотільних батарей.Вони будуть ідеальними для використання в таких програмах, як системи зберігання енергіїпоновлювані джерела енергіїта транспорт (морський, залізниці,авіаціїі позашляхова мобільність), де висока енергія, висока потужність і безпека є обов’язковими.
ЛІТІЄВО-СІРЧАНІ БАТАРЕЇ
Що це?
У літій-іонних батареях іони літію зберігаються в активних матеріалах, які діють як стабільні господарські структури під час заряджання та розряджання.У літій-сірчаних (Li-S) батареях немає основних структур.Під час розрядки літієвий анод витрачається, а сірка перетворюється на різноманітні хімічні сполуки;під час зарядки відбувається зворотний процес.
Які його переваги?
Li-S батарея використовує дуже легкі активні матеріали: сірку в позитивному електроді та металевий літій як негативний електрод.Ось чому його теоретична щільність енергії надзвичайно висока: у чотири рази більша, ніж у літій-іонних.Це робить його добре придатним для авіаційної та космічної промисловості.
Saft вибрав і віддав перевагу найбільш перспективній Li-S технології на основі твердотільного електроліту.Цей технічний шлях забезпечує дуже високу щільність енергії, тривалий термін служби та долає основні недоліки Li-S на основі рідини (обмежений термін служби, високий саморозряд, …).
Крім того, ця технологія доповнює твердотільну літій-іонну завдяки своїй чудовій гравіметричній щільності енергії (+30% у Вт·год/кг).
Коли можна очікувати?
Основні технологічні бар’єри вже подолано, і рівень зрілості дуже швидко просувається до повномасштабних прототипів.
Очікується, що ця технологія вийде на ринок для додатків, які вимагають тривалого часу роботи акумулятора, одразу після твердотільного літій-іонного.
ТВЕРДОТІЛЬНІ БАТАРЕЇ
Що це?
Твердотільні батареї представляють собою зміну парадигми з точки зору технології.У сучасних літій-іонних батареях іони переміщуються від одного електрода до іншого через рідкий електроліт (також називається іонною провідністю).У повністю твердотільних батареях рідкий електроліт замінено твердою сполукою, яка, тим не менш, дозволяє іонам літію мігрувати в ньому.Ця концепція далеко не нова, але за останні 10 років – завдяки інтенсивним дослідженням у всьому світі – були відкриті нові сімейства твердих електролітів з дуже високою іонною провідністю, подібною до рідкого електроліту, що дозволяє подолати цей конкретний технологічний бар’єр.
сьогодні,СафтДослідження та розробки зосереджені на 2 основних типах матеріалів: полімерах і неорганічних сполуках, спрямованих на синергію фізико-хімічних властивостей, таких як технологічність, стабільність, провідність…
Які його переваги?
Першою великою перевагою є значне підвищення безпеки на рівні елементів і батарей: тверді електроліти негорючі при нагріванні, на відміну від своїх рідких аналогів.По-друге, це дозволяє використовувати інноваційні високовольтні високоємні матеріали, що дозволяє створювати щільніші та легші батареї з кращим терміном придатності внаслідок зниженого саморозряду.Крім того, на системному рівні це принесе додаткові переваги, такі як спрощена механіка, а також управління температурою та безпекою.
Оскільки батареї можуть демонструвати високе співвідношення потужності до ваги, вони можуть бути ідеальними для використання в електромобілях.
Коли можна очікувати?
Кілька типів повністю твердотільних батарей, ймовірно, з’являться на ринку в міру розвитку технічного прогресу.Першими будуть твердотільні батареї з анодами на основі графіту, що покращить енергоефективність і безпеку.Згодом технології легших твердотільних акумуляторів, які використовують металевий літієвий анод, мають стати комерційно доступними.
Час публікації: 3 серпня 2022 р