Maailm ootab läbimurret. Peaaegu iga elektroonikatööstuse sektor, kõik, mis töötab akuga, on piiratud seda kasutavate akude väljundvõimsuse ja energiaeaga.
Seotud sisu
- Miks sool on selle elektrijaama kõige väärtuslikum vara
- Te ei peaks kunagi seda akuvaba mobiiltelefoni ühendama
"Akude edasiminek või edasiminek on palju aeglasem kui teistes valdkondades ja see on patareide olemuslik piirang, " ütleb ajakirja Journal of Power Sources peatoimetaja Stefano Passerini. „Te ei saa oodata akut, mis võib nädala või kuu jooksul mobiiltelefonile energiat anda. Päris lõpus fikseerib saadaolevad elemendid maksimaalse energiakoguse, mida aku saab salvestada. ”
Kuid edusamme on. Teadlased tegelevad kõige populaarsema klassi liitium-ioonpatareide energiatiheduse (mahla kaalu ja mahu kohta), hinna, ohutuse, keskkonnamõju ja isegi eluea parandamisega, aga ka täiesti uute tüüpide väljatöötamisega.
Enamikku patareisid võib leida kolmes peamises tööstuses: tarbeelektroonikas, autotööstuses ja võrgusalvestuses.
"Ma nimetaksin neid kolmeks suureks ämbriks, kus inimesed akudega lõikuvad, " ütleb Venkat Srinivasan, Energeetikaosakonna Energiasalvestuse Uuringute Ühiskeskuse teadus- ja arendustegevuse asedirektor. Igal ämbril on erinevad nõuded ja seetõttu võivad kasutatud akud (mõnikord) olla üksteisest väga erinevad. See taskus olev telefon vajab aku, mis on kompaktne ja ohutu, kuid kaal ja hind pole vähem olulised. Suurendage autoakude suurust ja nii paljude akude puhul muutuvad oluliseks hind ja kaal, samuti tsükli kestus (oleksite väga hullu, kui uus Tesla vajaks uusi akusid iga paari aasta tagant). Suurendage veelgi ja patareidel, mida hakatakse kasutama majade ja võrgu elektrienergia salvestamiseks, on väga väikesed kaalu või suuruse nõuded.
Tarbijalektroonika - teie telefon, arvuti, kaamera, tahvelarvuti, droonid, isegi teie kell - on aastakümnete jooksul töötanud liitium-ioon akudega, tänu nende lihtsale laadimisele ja suurele energiatihedusele. Nendes patareides moodustab anoodi grafiidivõre, mis on täidetud liitiumioonidega. Vastupidise klemmiga ühendatud katood moodustab oksiidi ja neid kahte eraldab vedel elektrolüüt, mis laseb ioonidel sellest läbi pääseda. Kui välised klemmid on ühendatud, oksüdeerub liitium ja ioonid voolavad katoodile. Laadimine on vastupidine. Mida rohkem liitiumioone saab sel viisil üle kanda, seda rohkem energiat aku mahutab. Oleme hinnanud kompaktset suurust ja kasutusmugavust, kui mitte aku vastupidavust ja ohutust. Kuid edasiseks täiustamiseks ei pruugi olla palju ruumi, ütleb Passernini.
"Nüüd on liitium-ioonakud piirilähedased, " ütleb ta. "Kuigi me juba ütlesime seda umbes kümme aastat tagasi, on viimase 10 aasta jooksul tehtud edusamme üsna märkimisväärselt."
Autode puhul vastutavad akud lõppkokkuvõttes auto eluea ja elektriautode puhul kartliku vahemiku ärevuse eest. Selle probleemi lahendamiseks üritavad insenerid ja teadlased akudesse rohkem pingemahtu lisada. Kuid see on sageli seotud vigaste keemiliste reaktsioonidega, mis aja jooksul vähendavad selle läbilaskevõimet. Suur hulk uuringuid on pühendatud uute materjalide ja kemikaalide leidmisele, mis abistaksid või asendaksid liitium-ioonvõre või muid aku osi.
Srinivasan toob välja paar potentsiaalset uuendust ja need pole mõeldud ainult autodele: Traditsioonilise grafiidianoodivõre võiks asendada räniga, mis sisaldab 10 korda rohkem liitiumioone. Kuid räni kipub laienema, kuna see neelab liitiumi, seega peavad akud seda arvestama. Või: võre asemel võiks anoodina töötada liitiummetall - eeldusel, et suudame välja mõelda, kuidas hoida seda uuesti laadimisel katastroofiliselt ära. See on probleem, mida aku tootjad on üritanud lahendada alates liitium-ioon aku leiutamisest aastakümnete eest. "Oleme lootnud, et jõuame ajal, mil võib-olla saab selle 30-aastase probleemiga uuesti tegeleda, " ütleb Srinivasan.
Võib-olla saaks liitiumi täielikult asendada. Teadlased otsivad võimalusi naatriumi või magneesiumi kasutamiseks selle asemel ning energiasalvestuse teadusuuringute ühine keskus kasutab arvutimudelit, et uurida eritellimusel kavandatud oksiidipõhiseid materjale, mis võiksid töötada magneesiumanoodi katoodina. Magneesium on eriti ligitõmbav, kuna selle struktuur võimaldab tal aatomil vastu võtta kaks elektroni, kahekordistades selle laengut, mida see mahutab.
Prashant Jain ja tema kaastöötajad Illinoisi ülikoolis töötavad liitiumakude erinevat külge: elektrolüüti. Elektrolüüt on vedelik, mis täidab katiooni (positiivselt laetud ioon) ja aniooni (negatiivselt laetud ioon) vahelise ruumi, lastes laetud osakestel voolata läbi. On juba ammu teada, et teatud tahked materjalid, nagu näiteks vaseseleniid, võimaldavad ka ioonidel voolata, kuid mitte piisavalt kiiresti suure võimsusega seadmete käitamiseks. Keemia abiprofessor Jain ja tema õpilased on välja töötanud vaseseleniidi nanoosakestest valmistatud superioonse tahke aine, millel on erinevad omadused. See võimaldab laetud osakestel voolata vedela elektrolüüdiga võrreldava kiirusega.
Sellel tehnoloogial on kaks potentsiaalset kasu: ohutus ja olelustsükkel. Kui praegune liitiumioonaku saab kahjustatud, siis aku lühistub ja kuumeneb. Vedelik aurustub ja midagi kiiret energia väljavoolu takistamiseks - buum. Tahke aine hoiab ära selle lühise ja võimaldab täismetalli anoodi, mis pakub suuremat energiamahtu. Lisaks hakkavad vedelad elektrolüüdid korduvate tsüklite abil katoodit ja anoodi lahustama ning see on peamine põhjus, miks patareid lõpuks ei lae.
„Kõik need järkjärgulised parandused on teinud teatavaid edusamme. Kuid kunagi pole olnud suurt dramaatilist läbimurret, segavat tehnoloogiat, kus nüüd võib öelda, et tahke elektrolüüt vastab ioonide transportimise potentsiaalile, mida vedelad elektrolüüdid suudavad, ”ütleb Jain. "Nüüd, kus vedelate elektrolüütidega seotud ohutusküsimused on esiplaanile tõusnud, on teadlased olnud nagu võib-olla peame mõtlema tahkete elektrolüütide jaoks midagi dramaatilist ja tegema kord ja lõpuks ühe, mis asendaks vedelat elektrolüüti."
Liitium-ioon aku kaasasutaja John Goodenough töötab välja klaasipõhise elektrolüüdiga aku. (Austraalia Texase Ülikooli Cockrelli tehnikakool) Algse liitium-ioon aku üks leiutajatest on võtnud veel ühe tahke oleku elektrolüütide poole pöörduja: Texase ülikooli inseneriprofessor John Goodenough on avaldanud ja esitanud patenditaotluse klaasiga aku jaoks. -põhine elektrolüüt. Klaasi immutamisel liitiumi või naatriumiga on Goodenough suutnud voolul veelgi kiiremini voolata, vältides samal ajal lühiseid ja suurendades tahke anoodiga energiamahtu.
Kõik need uuringud mõjutavad meie taskutes ja autodes olevaid akusid. Kuid on olemas kolmas kategooria, kus mõju on ülemaailmne.
Melanie Sanford kasutab modelleerimisvahendeid erinevat tüüpi akudel - tohututel, redoksvoolu akudel, mis salvestavad taastuvate elektrijaamade energiat ja vabastavad selle siis, kui tuul ja päike pole saadaval. Energiatootmise ja -tarbimise tippude ja orgude tasandamine aitab taastuvenergia osakaalu suurendada, pakkudes enamat kui ainult lisajõudu.
Lõuna-California Edison katsetab juba akupankadega Tesla autoakusid, kuid kuna akud on traditsioonilisel liitiumioonidel põhinevad, on need globaalse taastuvenergia võimaldamiseks liiga kallid. Lisaks on võrguakuga seotud piirangud palju erinevad kui autol. Kaal ja suurus ei ole küsimus, kuid hind ja eluiga on.
Redoksvoolu patareis hoitakse energiasalvestusmaterjali vedelana suurtes mahutites, seejärel pumbatakse väiksemasse kambrisse, kus see reageerib sarnase seadmega, millel on vastupidine laeng. Arvuti modelleerimine on võimaldanud Sanfordi laboril orgaaniliste molekulide kohandatud kavandamist, mille tulemuseks on tuhandekordne kasv vähem kui päevast kuuni, mille jooksul need molekulid püsivad stabiilsena.
"Võrguallika jaoks on vaja just selliseid materjale, mis on ülikerged, kuna me räägime tohututest akudest, " ütleb Sanford. "Me räägime tuulepargist ja seejärel võrreldavast ladudest, kus neid akusid hoitakse."
Sanfordi sõnul tulevad uuendused nii materjaliteadusest - uute materjalide väljatöötamisest meie akude jaoks - kui ka inseneridelt, kes muudavad nende materjalide ümber ehitatud süsteemid efektiivsemaks. Mõlemat on vaja, kuid torustik teadusuuringutest tootmiseni on tingimata veel üks kitsaskoht.
"Kõik peaksid teadma, et pole ühtegi akut, mis mahuks kõigile rakendustele, " ütleb Passerini. „On selge, et isegi natuke - 10 protsenti, 20 protsenti jõudlust - teenimine on suur probleem. Peame tegema selles valdkonnas uuringuid. Teadlasi tuleb toetada. ”
