Ο κόσμος περιμένει σε μια ανακάλυψη της μπαταρίας. Σχεδόν κάθε τομέας της βιομηχανίας ηλεκτρονικών ειδών, ό, τι τρέχει σε μια μπαταρία, περιορίζεται από την ισχύ εξόδου και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών που λειτουργούν.
σχετικό περιεχόμενο
- Γιατί το αλάτι είναι το πιο αξιόλογο περιουσιακό στοιχείο της μονάδας παραγωγής ενέργειας
- Δεν θα έπρεπε ποτέ να συνδέσετε αυτό το κινητό τηλέφωνο χωρίς μπαταρίες
"Η πρόοδος ή η πρόοδος των μπαταριών είναι πολύ πιο αργή από ό, τι σε άλλους τομείς, και αυτός είναι ένας εγγενής περιορισμός των μπαταριών", λέει ο Stefano Passerini, αρχισυντάκτης του περιοδικού των πηγών ενέργειας . "Δεν μπορείτε να περιμένετε μια μπαταρία που μπορεί να παρέχει ενέργεια σε ένα κινητό τηλέφωνο για μια εβδομάδα ή ένα μήνα. Στο τέλος, η μέγιστη ποσότητα ενέργειας που μπορείτε να αποθηκεύσετε σε μια μπαταρία καθορίζεται από τα διαθέσιμα στοιχεία. "
Αλλά υπάρχει πρόοδος. Οι ερευνητές εργάζονται για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας (χυμός ανά βάρος και όγκο), την τιμή, την ασφάλεια, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και ακόμη και τη διάρκεια ζωής των πιο δημοφιλών τάξεων, μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς και το σχεδιασμό ολοκαίνουριων τύπων.
Οι περισσότερες μπαταρίες μπορούν να βρεθούν σε τρεις κύριες βιομηχανίες: ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, αυτοκινητοβιομηχανία και αποθήκευση δικτύου.
"Θα τα αποκαλούσα τους τρεις μεγάλους κάδους όπου οι άνθρωποι διασταυρώνονται με μπαταρίες", λέει ο Venkat Srinivasan, αναπληρωτής διευθυντής έρευνας και ανάπτυξης στο Joint Center for Energy Storage Research του Τμήματος Ενέργειας. Κάθε κάδος έχει διαφορετικές απαιτήσεις και έτσι οι χρησιμοποιούμενες μπαταρίες μπορούν (μερικές φορές) να είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους. Αυτό το τηλέφωνο στην τσέπη σας χρειάζεται μια μπαταρία που είναι συμπαγής και ασφαλής, αλλά το βάρος και το κόστος είναι λιγότερο σημαντικές. Κλιμάρετε τις μπαταρίες αυτοκινήτων και με τόσες πολλές μπαταρίες, το κόστος και το βάρος γίνονται σημαντικές καθώς και η διάρκεια του κύκλου (θα ήταν πολύ τρελός εάν το νέο Tesla χρειάστηκε νέες μπαταρίες κάθε δύο χρόνια). Αυξήστε ακόμη περισσότερο τις μπαταρίες και οι μπαταρίες που αρχίζουν να χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ενέργειας για τα σπίτια και το πλέγμα έχουν ελάχιστες απαιτήσεις βάρους ή μεγέθους.
Για δεκαετίες, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης-το τηλέφωνό σας, ο υπολογιστής, η κάμερα, το tablet, τα drones, ακόμα και το ρολόι σας - λειτουργούν με μπαταρίες ιόντων λιθίου χάρη στην εύκολη επαναφόρτιση και την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Σε αυτές τις μπαταρίες, ένα πλέγμα από γραφίτη, γεμισμένο με ιόντα λιθίου, σχηματίζει την άνοδο. Ένα οξείδιο σχηματίζει την κάθοδο, συνδέεται με το αντίθετο τερματικό και τα δύο διαχωρίζονται από έναν υγρό ηλεκτρολύτη που επιτρέπει στα ιόντα να διέλθουν από αυτό. Όταν συνδέονται οι εξωτερικοί ακροδέκτες, το λίθιο οξειδώνεται και τα ιόντα ρέουν στην κάθοδο. Η φόρτιση είναι ακριβώς το αντίθετο. Όσο περισσότερα ιόντα λιθίου μπορούν να μεταφερθούν με αυτόν τον τρόπο, τόσο περισσότερη δύναμη μπορεί να έχει η μπαταρία. Έχουμε έρθει να εκτιμήσουν το μικρό μέγεθος και την ευκολία χρήσης, αν όχι τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την ασφάλεια. Αλλά μπορεί να μην υπάρχει αρκετό περιθώριο για περαιτέρω βελτίωση, λέει ο Passernini.
"Τώρα οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πολύ κοντά στο όριο", λέει. "Παρόλο που το είπαμε ήδη πριν από περίπου 10 χρόνια και οι βελτιώσεις τα τελευταία 10 χρόνια ήταν αρκετά σημαντικές."
Στην περίπτωση των αυτοκινήτων, οι μπαταρίες είναι τελικά υπεύθυνοι για τη διάρκεια ζωής του αυτοκινήτου και για την επίφοβη ανησυχία της σειράς όταν πρόκειται για ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες προσπαθούν να συσσωρεύσουν περισσότερη τάση σε μπαταρίες. Αλλά αυτό συχνά συνδέεται με ελαττωματικές χημικές αντιδράσεις, οι οποίες μειώνουν την ικανότητα με την πάροδο του χρόνου. Πολλές έρευνες είναι αφιερωμένες στην εξεύρεση νέων υλικών και χημικών ουσιών που βοηθούν ή αντικαθιστούν το πλέγμα ιόντων λιθίου ή άλλα μέρη της μπαταρίας.
Ο Srinivasan επισημαίνει δυο πιθανές καινοτομίες, και αυτές δεν είναι μόνο για αυτοκίνητα: Το παραδοσιακό πλέγμα ανόδου του γραφίτη θα μπορούσε να αντικατασταθεί από πυρίτιο, το οποίο περιέχει 10 φορές περισσότερα ιόντα λιθίου. Αλλά το πυρίτιο τείνει να επεκτείνεται καθώς απορροφά το λίθιο, έτσι οι μπαταρίες θα πρέπει να λογοδοτούν γι 'αυτό. Ή: Αντί για το πλέγμα, το μέταλλο του λιθίου θα μπορούσε να λειτουργήσει ως η άνοδος, υπό την προϋπόθεση ότι μπορούμε να καταλάβουμε πώς να το κρατήσουμε από καταστροφική βραχυκύκλωμα όταν επαναφορτιστεί. Πρόκειται για ένα ζήτημα που οι κατασκευαστές μπαταριών προσπαθούν να επιλύσουν από τότε που η μπαταρία ιόντων λιθίου επινοήθηκε πριν από δεκαετίες. "Έχουμε πολύ αισιόδοξη ότι είμαστε σε μια εποχή που ίσως αυτό το 30χρονο πρόβλημα να μπορεί να αντιμετωπιστεί και πάλι", λέει ο Srinivasan.
Ίσως να μπορεί να αντικατασταθεί πλήρως το λίθιο. Οι ερευνητές εξετάζουν τρόπους χρήσης νατρίου ή μαγνησίου και το Κοινό Κέντρο Έρευνας για την αποθήκευση ενέργειας χρησιμοποιεί μοντέλα υπολογιστών για να ερευνήσει ειδικά σχεδιασμένα υλικά με βάση το οξείδιο που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως κάθοδοι σε ανόδου μαγνησίου. Το μαγνήσιο είναι ιδιαίτερα ελκυστικό επειδή η δομή του επιτρέπει να δέχεται δύο ηλεκτρόνια ανά άτομο, διπλασιάζοντας το φορτίο που μπορεί να κρατήσει.
Ο Prashant Jain και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Illinois εργάζονται σε μια διαφορετική όψη των μπαταριών λιθίου: ο ηλεκτρολύτης. Ο ηλεκτρολύτης είναι το υγρό που γεμίζει το χώρο μεταξύ του κατιόντος (θετικά φορτισμένο ιόν) και του ανιόντος (αρνητικά φορτισμένο ιόν), επιτρέποντας στα φορτισμένα σωματίδια να ρέουν. Είναι γνωστό από καιρό ότι ορισμένα στερεά υλικά, όπως το σεληνίδιο του χαλκού, θα επιτρέπουν επίσης τη ροή ιόντων, αλλά όχι αρκετά γρήγορα για τη λειτουργία συσκευών υψηλής ισχύος. Ο Jain, επίκουρος καθηγητής της χημείας, και οι μαθητές του, έχουν αναπτύξει ένα υπερηνιονικό στερεό, κατασκευασμένο από νανοσωματίδια από σουλφίδιο του χαλκού, που έχει διαφορετικές ιδιότητες. Επιτρέπει στα φορτισμένα σωματίδια να ρέουν με ρυθμό συγκρίσιμο με έναν υγρό ηλεκτρολύτη.
Τα δυνητικά οφέλη αυτής της τεχνολογίας είναι διπλά: ασφάλεια και κύκλος ζωής. Εάν καταστραφεί μια μπαταρία ιόντων λιθίου, η μπαταρία σκουριάζει και θερμαίνεται. Το υγρό εξατμίζεται και τίποτα δεν υπάρχει για να εμποδίσει την ταχεία απόρριψη της ενεργειακής έκρηξης. Ένα στερεό θα αποτρέψει αυτό το σύντομο και θα επιτρέψει μια άνοδο πλήρους μετάλλου, η οποία προσφέρει μεγαλύτερη ενεργειακή ικανότητα. Επιπλέον, σε επαναλαμβανόμενους κύκλους, οι υγροί ηλεκτρολύτες αρχίζουν να διαλύουν την κάθοδο και την άνοδο και αυτός είναι ο πρωταρχικός λόγος που οι μπαταρίες τελικά αποτυγχάνουν να φορτιστούν.
"Έχουν υπάρξει όλες αυτές οι αυξητικές βελτιώσεις που έχουν κάνει κάποιες πρόοδοι. Αλλά ποτέ δεν υπήρξε μια μεγάλη δραματική ανακάλυψη, μια αναστατωτική τεχνολογία, όπου μπορεί κανείς να πει τώρα ότι ο συμπαγής ηλεκτρολύτης ταιριάζει πραγματικά με τις δυνατότητες μεταφοράς ιόντων που οι υγροί ηλεκτρολύτες μπορούν, "λέει ο Jain. "Τώρα που τα θέματα ασφάλειας έρχονται στο προσκήνιο, με τους υγρούς ηλεκτρολύτες, οι ερευνητές ήταν σαν, ίσως πρέπει να σκεφτούμε κάτι δραματικό με σταθερούς ηλεκτρολύτες και να κάνουμε μια για πάντα την αντικατάσταση ενός υγρού ηλεκτρολύτη".
Ο John Goodenough, συν-εφευρέτης της μπαταρίας ιόντων λιθίου, αναπτύσσει μπαταρία με ηλεκτρολύτη με βάση γυαλί. (Σχολή Μηχανικών Cockrell, Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν) Ένας από τους συν-εφευρέτες της αρχικής μπαταρίας ιόντων λιθίου ο ίδιος παίρνει ένα άλλο γόνατο προς τους ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης: Ο John Goodenough, επίμονος καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, δημοσίευσε και κατέθεσε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μπαταρία με γυαλί ηλεκτρολύτη. Με το εμποτισμό του γυαλιού με λίθιο ή νάτριο, ο Goodenough μπόρεσε να επιτρέψει στο ρεύμα να ρέει ακόμα γρηγορότερα, αποτρέποντας παράλληλα τα σορτς και την αύξηση της ενεργειακής ικανότητας με μια στερεή άνοδο.
Όλη αυτή η έρευνα πρόκειται να επηρεάσει τις μπαταρίες στις τσέπες και τα αυτοκίνητά μας. Υπάρχει όμως μια τρίτη κατηγορία, όπου οι επιπτώσεις είναι παγκόσμιες.
Η Melanie Sanford χρησιμοποιεί εργαλεία μοντελοποίησης σε διαφορετικούς τύπους μπαταριών - τεράστιες, οξειδοαναγωγικές μπαταρίες ροής που θα αποθηκεύουν ενέργεια από μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και θα τις απελευθερώνουν όταν ο άνεμος και ο ήλιος δεν είναι διαθέσιμοι. Η βραδινή έξοδος από τις κορυφές και τις κοιλάδες παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας θα συμβάλει στην αύξηση της κλίμακας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ώστε να μην υπερβαίνει μόνο τη συμπληρωματική ισχύ.
Η Νότια Καλιφόρνια Edison πειραματίζεται ήδη με τράπεζες μπαταριών, χρησιμοποιώντας μπαταρίες αυτοκινήτων Tesla, αλλά επειδή οι μπαταρίες είναι παραδοσιακές με ιόντα λιθίου, είναι υπερβολικά δαπανηρές για χρήση σε κλίμακα που θα επιτρέψει την παγκόσμια ανανεώσιμη ενέργεια. Εκτός αυτού, οι περιορισμοί για μια μπαταρία δικτύου είναι πολύ διαφορετικοί από ένα αυτοκίνητο. Το βάρος και το μέγεθος δεν είναι θέμα, αλλά η τιμή και η διάρκεια ζωής είναι.
Σε μια μπαταρία ροής οξειδοαναγωγής, το υλικό αποθήκευσης ενέργειας διατηρείται σε υγρή μορφή σε μεγάλες δεξαμενές, στη συνέχεια αντλείται σε μικρότερο κελί όπου αντιδρά με παρόμοια συσκευή που έχει το αντίθετο φορτίο. Η μοντελοποίηση των υπολογιστών επέτρεψε στο εργαστήριο του Sanford να σχεδιάσει οργανικά μόρια για το σχεδιασμό, οδηγώντας σε μια χίλιες φορές αύξηση, από λιγότερο από μία ημέρα σε μήνες, στο χρονικό διάστημα που αυτά τα μόρια παραμένουν σταθερά.
"Για την πηγή κλίμακας πλέγματος, το είδος που χρειάζεστε είναι υλικά που είναι υπερβολικά φθηνά, γιατί μιλάμε για τεράστιες μπαταρίες", λέει ο Sanford. "Μιλάμε για ένα αιολικό πάρκο, και στη συνέχεια μια συγκρίσιμη περιοχή των αποθηκών που κατέχουν αυτές τις μπαταρίες."
Σύμφωνα με τον Sanford, οι καινοτομίες θα προκύψουν τόσο από την επιστήμη των υλικών - την ανάπτυξη νέων υλικών για την τοποθέτηση των μπαταριών μας - όσο και από τους μηχανικούς που θα κάνουν τα συστήματα που κατασκευάζονται γύρω από αυτά τα υλικά πιο αποτελεσματικά. Και οι δύο θα χρειαστούν, αλλά ο αγωγός από την έρευνα στην παραγωγή θα είναι κατ 'ανάγκην ένα άλλο εμπόδιο.
"Όλοι πρέπει να γνωρίζουν ότι δεν υπάρχει μία μπαταρία που να χωράει σε όλες τις εφαρμογές", λέει ο Passerini. "Είναι σαφές ότι ακόμη και να κερδίσουμε λίγο-10 τοις εκατό, 20 τοις εκατό απόδοση-είναι ένα μεγάλο ζήτημα. Πρέπει να κάνουμε έρευνα στον τομέα. Οι επιστήμονες πρέπει να υποστηριχθούν. "
