Τεχνολογικές τάσεις
Μπαταρία ιόντων νατρίου: η νέα τάση του μέλλοντος των ηλεκτρικών οχημάτων
19 Ιουλίου, 2021
Μερίδιο:
Φόντο
Κόστος μπαταρίας ηλεκτρικού οχήματος
Γιατί τα ηλεκτρικά οχήματα χρειάζονται καλύτερες μπαταρίες
Τα ηλεκτρικά οχήματα, ειδικά αυτά που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θεωρούνται ως το μελλοντικό μοντέλο που θα βοηθήσει στην προστασία του παγκόσμιου κλίματος. Ωστόσο, εδώ και χρόνια οι κατασκευαστές αυτοκινήτων χρησιμοποιούν σπάνιο και σχετικά ακριβό λίθιο στην τεχνολογία μπαταριών, επιβραδύνοντας τον ρυθμό μαζικής υιοθέτησης ηλεκτρικών οχημάτων παγκοσμίως.
Παρόλο που τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα επαγγελματικά οχήματα και τα ηλεκτρικά ποδήλατα βρίσκονται σε πλήρη ανάπτυξη, η χρήση τους εξακολουθεί να είναι περιορισμένη. Οι υψηλές τιμές, οι δυσκίνητες εγκαταστάσεις φόρτισης και η διαδικασία παραγωγής μπαταριών που καταναλώνει μεγάλες ποσότητες πρώτων υλών εμποδίζουν την ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων.
Για να διατεθούν ευρέως τα ηλεκτρικά οχήματα, οι κατασκευαστές αυτοκινήτων πρέπει να εισαγάγουν μπαταρίες που είναι πιο ισχυρές, ανθεκτικές, βιώσιμες και οικονομικά προσιτές.
Νάτριο αντί για λίθιο
Σύγκριση υλικών
Νάτριο αντί για λίθιο
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου μπορεί να αποτελούν μια βιώσιμη επιλογή και οι πρόσφατες εξελίξεις στις μπαταρίες ιόντων νατρίου είναι εκπληκτικά προοδευτικές. Στο άμεσο μέλλον, οι μπαταρίες ιόντων νατρίου μπορεί να είναι σε θέση να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες λιθίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα, smartphone ή φορητούς υπολογιστές.
Το λίθιο και το νάτριο, δύο αλκαλικά μέταλλα, έχουν πολύ παρόμοιες χημικές ιδιότητες. Αν και το νάτριο έχει χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με το σπανιότερο λίθιο, το νάτριο είναι πιο εύκολο να ληφθεί και θα είναι σχετικά φθηνό.
Υποσχόμενες ανακαλύψεις
Πρόοδος πρωτοτύπου
Υποσχόμενες καινοτομίες
Η απόδοση των μπαταριών ιόντων νατρίου εξακολουθεί να είναι περίπου 20 χρόνια πίσω από αυτήν των μπαταριών λιθίου. Ο λόγος είναι ότι οι ερευνητές την τελευταία δεκαετία περίπου επικεντρώθηκαν μόνο στην ανάπτυξη της ισχυρότερης απόδοσης του λιθίου.
Σήμερα, υπάρχουν όχι μόνο πρωτοποριακές επιστημονικές δημοσιεύσεις, αλλά και πολύ πρωτοποριακά πρωτότυπα. Σύμφωνα με έκθεση που δημοσιεύθηκε τον Μάιο, μια μπαταρία ιόντων νατρίου που αναπτύχθηκε στη Νότια Κορέα πέρασε από περίπου 500 κύκλους πλήρους φόρτισης προτού η χωρητικότητά της μειωθεί στο 80% της αρχικής της χωρητικότητας.
Μια άλλη μπαταρία, που αναπτύχθηκε από μια ερευνητική ομάδα ΗΠΑ-Κίνας, μπορεί να ολοκληρώσει περίπου 450 επαναφορτίσεις για την ίδια χωρητικότητα. Μια μπαταρία ιόντων νατρίου κινεζικής κατασκευής έχει μικρότερη χωρητικότητα, αλλά μετά από 1200 γρήγορες φορτίσεις 12 λεπτών, εξακολουθεί να έχει το 70% της χωρητικότητάς της.
Μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά στην πράξη αυτές οι μπαταρίες μπορεί να είναι σε θέση να αντέξουν μεγαλύτερο αριθμό επαναφορτίσεων, επειδή συνήθως δεν επαναφορτίζονται μετά την εξάντληση στην καθημερινή ζωή. Η πλήρης αποφόρτιση και επαναφόρτιση της μπαταρίας στο πείραμα συνεπάγεται μεγαλύτερη φθορά για την μπαταρία.
Το μεταλλικό στοιχείο λίθιο είναι πιο σπάνιο και ακριβό, αλλά η περισσότερη σύγχρονη τεχνολογία μπαταριών χρησιμοποιεί μπαταρίες λιθίου. Το αρχικό σχήμα δείχνει τις χώρες με τα μεγαλύτερα αποθέματα λιθίου το 2019.
Επιπλέον, η τεχνολογία ιόντων νατρίου δεν απαιτεί τη χρήση σπάνιων πόρων. Δεν απαιτούνται σπάνια άλατα λιθίου για την κατασκευή καθόδων, καθώς το επιτραπέζιο αλάτι είναι αρκετό. Άνοδοι υψηλής απόδοσης μπορούν να κατασκευαστούν από λιγνίτη, ξύλο και άλλη βιομάζα. Το κοβάλτιο ή παρόμοιες σπάνιες ουσίες δεν απαιτούνται στη διαδικασία παραγωγής.
Βασική έρευνα
Γραφένιο και ιόντα νατρίου
Μια σημαντική ανακάλυψη στη βασική έρευνα;
Το νάτριο έχει δύο μειονεκτήματα: ζυγίζει τρεις φορές περισσότερο από το λίθιο, επομένως, παρόλο που οι μπαταρίες λιθίου περιέχουν λιγότερο από το 5% του συνολικού βάρους της μπαταρίας, μια μπαταρία με ιόντα νατρίου θα ζύγιζε περισσότερο από μια μπαταρία λιθίου.
Επιπλέον, η απόδοση των μπαταριών νατρίου είναι ασθενέστερη. Δεδομένου ότι τα ιόντα νατρίου μεταφέρουν 0,3 βολτ λιγότερα από τις μπαταρίες λιθίου, υπάρχει αναπόφευκτη απώλεια ενεργειακής πυκνότητας περίπου 10%. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι άνοδοι γραφίτη των σημερινών μπαταριών δεν επιτρέπουν την επαρκή συσσώρευση νατρίου.
Σύμφωνα με έκθεση που δημοσιεύθηκε από μια γερμανορωσική ομάδα εργασίας με επικεφαλής το Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας Helmholtz (HZDR) στη Δρέσδη της Γερμανίας, ο νανοάνθρακας μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση αυτού του προβλήματος. Η έκθεση σημειώνει ότι η χρήση ενός εξαιρετικά λεπτού υλικού άνθρακα, του διπλοστοιβαδικού γραφενίου, μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερα ιόντα νατρίου στην άνοδο από τον γραφίτη.
Εάν τα ηλεκτρόδια γραφενίου μπορούν να εγκατασταθούν σε μπαταρίες λιθίου στο μέλλον, αντικαθιστώντας τις σημερινές συνήθως χρησιμοποιούμενες ανόδους γραφίτη, ίσως είναι δυνατό να αυξηθεί σημαντικά η χωρητικότητα της μπαταρίας.
Ο Κρασενίνκοφ, φυσικός στο HZDR, το συνέκρινε με το να βάζεις μια μικρή μπάλα ανάμεσα σε δύο φύλλα χαρτιού: αν συνεχίσετε να προσθέτετε μικρές μπάλες ανάμεσα στο χαρτί, το χαρτί θα ωθηθεί περισσότερο να απομακρυνθεί και το κενό μεταξύ των δύο φύλλων θα αυξηθεί.
Συμβατή τεχνολογία
Πολυστρωματική δομή
Μια συμβατή τεχνολογία;
Αν μια πολυστρωματική δομή για μπαταρίες λιθίου λειτουργεί, ισχύει και για άλλα αλκαλικά μέταλλα όπως το νάτριο; Μια ομάδα εργαζομένων από τη Δρέσδη, τη Στουτγάρδη και τη Μόσχα ελπίζει να το ανακαλύψει χρησιμοποιώντας εξελιγμένες προσομοιώσεις υπερυπολογιστών.
Επειδή τα πρωτότυπα μπαταριών ιόντων νατρίου μέχρι στιγμής δεν έχουν λειτουργήσει καλά, επειδή το νάτριο μόλις που μπορεί να εισέλθει στην άνοδο γραφίτη, οι υπολογισμοί σε υπολογιστές δείχνουν ότι το νάτριο, όπως και το λίθιο, μπορεί να ενσωματωθεί μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου σε μια πολυστρωματική δομή.
Στο μέλλον, εάν εγκατασταθούν ηλεκτρόδια γραφενίου σε μπαταρίες ιόντων νατρίου αντί για τις σημερινές ανόδους γραφίτη, μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης.
Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών ενδέχεται να αποτελέσουν μια σημαντική ανακάλυψη στην ανάπτυξη φθηνών μπαταριών νατρίου. Ο Κρασενίνκοφ δήλωσε ότι η εργασία είναι καθαρά θεωρητική και δεν υποστηρίζει την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς μπαταριών στο άμεσο μέλλον με βάση μόνο τα αποτελέσματα της μελέτης, αλλά μπορεί να προσφέρει ενδιαφέρουσες νέες ιδέες για τους μηχανικούς.
Μπαταρίες του μέλλοντος
Μελλοντικές προοπτικές
Μπαταρίες του μέλλοντος
Ευτυχώς, η μπαταρία ιόντων νατρίου δεν είναι πλέον απλώς μια θεωρητική έννοια. Μια σημαντική ανακάλυψη στις σχετικές τεχνολογίες φαίνεται να είναι κοντά.
Τα τελευταία ευρήματα δείχνουν ότι υπάρχουν ήδη πρακτικές, οικονομικά προσιτές και αποδοτικές ως προς τους πόρους εναλλακτικές λύσεις στις ακριβές μπαταρίες λιθίου, και αυτές μπορούν ακόμη και να βελτιώσουν την απόδοσή τους μέσω πολυστρωματικών δομών.
Σίγουρα θα χρειαστεί λίγος χρόνος μέχρι η τεχνολογία μπαταριών ιόντων νατρίου να είναι έτοιμη για μαζική παραγωγή και χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα ή κινητά τηλέφωνα. Αλλά μόλις έρθει η κατάλληλη στιγμή, δεν θα πρέπει να υπάρχει μεγάλο πρόβλημα στην αλλαγή της γραμμής παραγωγής από μπαταρίες λιθίου σε μπαταρίες ιόντων νατρίου, επειδή η τεχνολογία είναι σχετικά παρόμοια.
