Technologické trendy
Sodík-iontová baterie: nový trend budoucnosti elektromobilů
19 července, 2021
Podíl:
Pozadí
Cena baterie elektromobilu
Proč elektromobily potřebují lepší baterie
Elektromobily, zejména ty, které k výrobě elektřiny využívají obnovitelné zdroje energie, jsou vnímány jako budoucí model, který pomůže chránit globální klima. Výrobci automobilů však již léta používají v bateriové technologii vzácný a relativně drahý lithium, což zpomaluje tempo masového zavádění elektromobilů po celém světě.
Přestože elektromobily, užitková vozidla a elektrická kola jsou v plném proudu, jejich využití je stále omezené. Vysoké ceny, těžkopádná nabíjecí zařízení a proces výroby baterií, který spotřebovává velké množství surovin, brzdí rychlý rozvoj elektromobilů.
Aby byla elektromobily široce dostupné, musí výrobci automobilů zavést baterie, které jsou výkonnější, odolnější, udržitelnější a cenově dostupnější.
Sodík místo lithia
Porovnání materiálů
Sodík místo lithia
Sodík-iontové baterie by mohly být schůdnou možností a nedávný vývoj v této oblasti je překvapivě progresivní. V dohledné budoucnosti by sodíkové iontové baterie mohly nahradit lithiové baterie používané v elektromobilech, chytrých telefonech nebo noteboocích.
Lithium a sodík, dva alkalické kovy, mají velmi podobné chemické vlastnosti. Přestože má sodík nižší energetickou hustotu ve srovnání s vzácnějším lithiem, je sodík snadněji dostupný a bude relativně levný.
Slibné průlomy
Průběh prototypu
Slibné průlomy
Výkon sodíkovo-iontových baterií je stále asi o 20 let pozadu za lithiovými bateriemi. Důvodem je, že se výzkumníci v posledním desetiletí zaměřovali pouze na vývoj lithiových baterií s vyšším výkonem.
Dnes existují nejen průlomové vědecké publikace, ale i velmi progresivní prototypy. Podle zprávy zveřejněné v květnu prošla sodíkovo-iontová baterie vyvinutá v Jižní Koreji přibližně 500 plnými nabíjecími cykly, než její kapacita klesla na 80 procent původní kapacity.
Jiná baterie, vyvinutá americko-čínským výzkumným týmem, dokáže se stejnou kapacitou zvládnout přibližně 450 nabití. Čínská sodíkovo-iontová baterie má menší kapacitu, ale po 1200 12minutových rychlých nabitích si stále udrží 70 % své kapacity.
Možná to nezní jako mnoho, ale v praxi tyto baterie mohou vydržet vyšší počet nabíjení, protože se v běžném životě po vybití obvykle nedobíjejí. Úplné vybití a opětovné nabití baterie v experimentu ji více opotřebovává.
Lithium jako kovový prvek je vzácnější a dražší, ale většina současných technologií baterií používá lithiové baterie. Původní obrázek ukazuje země s největšími zásobami lithia v roce 2019.
Technologie sodíkových iontů navíc nevyžaduje použití vzácných zdrojů. K výrobě katod nejsou potřeba vzácné lithné soli, postačí kuchyňská sůl. Vysoce výkonné anody lze vyrobit z lignitu, dřeva a jiné biomasy. Kobalt ani podobné vzácné látky nejsou ve výrobním procesu potřeba.
Základní výzkum
Grafen a sodné ionty
Průlom v základním výzkumu?
Sodík má dvě nevýhody: váží třikrát více než lithium, takže i když lithiové baterie obsahují méně než 5 % celkové hmotnosti baterie, baterie s ionty sodíku by stále vážila více než lithiová baterie.
Kromě toho je výkon sodíkových baterií slabší. Protože sodíkové ionty nesou o 0,3 voltu méně než lithiové baterie, dochází k nevyhnutelné ztrátě hustoty energie přibližně 10 %. A co je nejdůležitější, grafitové anody současných baterií neumožňují udržení dostatečného množství sodíku.
Podle zprávy zveřejněné německo-ruskou pracovní skupinou vedenou Helmholtzovým centrem pro vědecký výzkum (HZDR) v Drážďanech v Německu může nanokarbon pomoci tento problém zlepšit. Zpráva uvádí, že použití ultratenkého uhlíkového materiálu, dvojvrstvého grafenu, může v anodě ukládat více sodíkových iontů než grafit.
Pokud by se grafenové elektrody v budoucnu mohly instalovat do lithiových baterií a nahradit tak dnes běžně používané grafitové anody, mohlo by být možné výrazně zvýšit kapacitu baterií.
Krašeninkov, fyzik z HZDR, to přirovnal k vložení malé kuličky mezi dva listy papíru: pokud mezi papír stále přidáváte malé kuličky, papír se od sebe bude dále odtlačovat a mezera mezi oběma listy se zvětší.
Kompatibilní technologie
Vícevrstvá struktura
Kompatibilní technologie?
Pokud vícevrstvá struktura pro lithiové baterie funguje, platí i pro jiné alkalické kovy, jako je sodík? Tým pracovníků z Drážďan, Stuttgartu a Moskvy doufá, že to zjistí pomocí sofistikovaných superpočítačových simulací.
Protože prototypy sodíkovo-iontových baterií dosud nefungovaly dobře, protože sodík se do grafitové anody dostane jen stěží, počítačové výpočty ukazují, že sodík, stejně jako lithium, může být vložen mezi vrstvy grafenu do vícevrstvé struktury.
Pokud by se v budoucnu do sodíkovo-iontových baterií místo dnešních grafitových anod instalovaly grafenové elektrody, mohlo by se dosáhnout vyšší úložné kapacity.
Výsledky těchto studií by mohly znamenat průlom ve vývoji levných sodíkových baterií. Krašeninkov uvedl, že práce je čistě teoretická a neobhajuje vývoj nové generace baterií v dohledné budoucnosti pouze na základě výsledků studie, ale může inženýrům poskytnout zajímavé nové nápady.
Baterie budoucnosti
Výhled do budoucna
Baterie budoucnosti
Naštěstí sodíkovo-iontová baterie už není jen teoretickým konceptem. Průlom v souvisejících technologiích se zdá být na dosah ruky.
Nejnovější zjištění ukazují, že již existují praktické, cenově dostupné a z hlediska zdrojů efektivní alternativy k drahým lithiovým bateriím a že jejich výkon by mohl být dokonce zlepšen díky vícevrstvým strukturám.
Jistě bude nějakou dobu trvat, než bude technologie sodíkovo-iontových baterií připravena pro masovou výrobu a použití v elektromobilech nebo mobilních telefonech. Jakmile však čas dozraje, neměl by být velký problém s přechodem z lithiových baterií na sodíkovo-iontové baterie, protože technologie je relativně podobná.
