Tehnoloogiatrendid
Naatriumioonaku: elektriautode tuleviku uus trend
juuli 19, 2021
Jaga:
Taust
Elektriauto aku maksumus
Miks vajavad elektriautod paremaid akusid
Elektriautosid, eriti neid, mis kasutavad elektri tootmiseks taastuvenergiat, peetakse tulevikumudeliks, mis aitab kaasa globaalsele kliimakaitsele. Kuid autotootjad on aastaid kasutanud haruldast ja suhteliselt kallist liitiumi akutehnoloogias, aeglustades elektriautode massilise kasutuselevõtu tempot kogu maailmas.
Kuigi elektriautod, tarbesõidukid ja elektrijalgrattad on täies hoos, on nende kasutamine endiselt piiratud. Kõrged hinnad, kohmakad laadimisvõimalused ja akude tootmisprotsess, mis tarbib suures koguses toorainet, takistavad elektrisõidukite kiiret arengut.
Elektriautode laialdaselt kättesaadavaks tegemiseks peavad autotootjad kasutusele võtma akusid, mis on võimsamad, vastupidavamad, jätkusuutlikumad ja taskukohasemad.
Naatrium liitiumi asemel
Materjalide võrdlus
Naatrium liitiumi asemel
Naatriumioonakud võivad olla elujõuline valik ja viimased arengud naatriumioonakude valdkonnas on olnud üllatavalt edumeelsed. Lähitulevikus võivad naatriumioonakud olla võimelised asendama elektriautodes, nutitelefonides või sülearvutites kasutatavaid liitiumakuid.
Liitiumil ja naatriumil, kahel leelismetallil, on väga sarnased keemilised omadused. Kuigi naatriumil on haruldasema liitiumiga võrreldes madalam energiatihedus, on naatriumi lihtsam saada ja see on suhteliselt odav.
Paljulubavad läbimurded
Prototüübi edenemine
Paljulubavad läbimurded
Naatriumioonakude jõudlus on liitiumakude omast ikka veel umbes 20 aastat maas. Põhjus on selles, et viimase kümnendi jooksul on teadlased keskendunud ainult liitiumi tugevama jõudlusega akude arendamisele.
Tänapäeval pole olemas mitte ainult murrangulisi teaduspublikatsioone, vaid ka väga tulevikku suunatud prototüüpe. Mais avaldatud aruande kohaselt läbis Lõuna-Koreas välja töötatud naatriumioonaku umbes 500 täislaadimistsüklit, enne kui selle mahtuvus langes 80 protsendini algsest mahutavusest.
Teine aku, mille töötas välja USA-Hiina uurimisrühm, suudab sama mahutavuse juures sooritada umbes 450 laadimist. Hiinas toodetud naatriumioonakul on väiksem mahutavus, kuid pärast 1200 12-minutilist kiirlaadimist on sellel ikkagi 70% aku mahutavusest.
See ei pruugi tunduda palju, aga praktikas võivad need akud taluda suuremat laadimiste arvu, kuna neid tavaliselt igapäevaelus pärast tühjenemist ei laeta. Aku täielik tühjendamine ja laadimine eksperimendis kulutab akut rohkem.
Metalliline element liitium on haruldasem ja kallim, kuid enamik tänapäevaseid akutehnoloogiaid kasutab liitiumakusid. Algne joonis näitab 2019. aasta liitiumivarude poolest suurimaid riike.
Lisaks ei nõua naatriumioonide tehnoloogia nappide ressursside kasutamist. Katoodide valmistamiseks pole vaja haruldasi liitiumsooli, kuna piisab lauasoolast. Suure jõudlusega anoode saab valmistada ligniidist, puidust ja muust biomassist. Tootmisprotsessis ei ole vaja koobaltit ega sarnaseid haruldasi aineid.
Põhiuuringud
Grafeen ja naatriumioonid
Läbimurre baasuuringutes?
Naatriumil on kaks puudust: see kaalub kolm korda rohkem kui liitium, seega isegi kui liitiumakud moodustavad aku kogukaalust vähem kui 5%, kaaluks naatriumioonidega aku ikkagi rohkem kui liitiumaku.
Lisaks on naatriumakude jõudlus nõrgem. Kuna naatriumioonid kannavad 0,3 volti vähem kui liitiumakud, on energiatiheduse kadu paratamatu umbes 10%. Kõige tähtsam on see, et praeguste akude grafiitanoodid ei lase piisavalt naatriumi endasse mahutada.
Dresdenis asuva Helmholtzi Teadusuuringute Keskuse (HZDR) juhitud Saksa-Vene töörühma avaldatud aruande kohaselt võib nanokarbon aidata seda probleemi lahendada. Aruandes märgitakse, et üliõhukese süsinikmaterjali, kahekihilise grafeeni, kasutamine suudab anoodis säilitada rohkem naatriumioone kui grafiit.
Kui grafeenielektroode saab tulevikus liitiumakudesse paigaldada, asendades tänapäeval tavaliselt kasutatavaid grafiidist anoode, võib olla võimalik aku mahtuvust märkimisväärselt suurendada.
HZDR-i füüsik Krašeninkov võrdles seda väikese palli asetamisega kahe paberilehe vahele: mida rohkem väikeseid pallikesi paberi vahele panna, seda enam paber nihkub ja kahe lehe vaheline vahe suureneb.
Ühilduv tehnoloogia
Mitmekihiline struktuur
Ühilduv tehnoloogia?
Kui liitiumakude mitmekihiline struktuur toimib, kas see kehtib ka teiste leelismetallide, näiteks naatriumi kohta? Dresdeni, Stuttgarti ja Moskva töötajate meeskond loodab sellele keerukate superarvuti simulatsioonide abil vastuse leida.
Kuna naatriumioonakude prototüübid pole seni hästi toiminud, kuna naatrium pääseb grafiidianoodi vaid vaevu, näitavad arvutiarvutused, et naatriumi, nagu ka liitiumi, saab mitmekihilises struktuuris grafeenikihtide vahele kinnistada.
Tulevikus, kui naatriumioonakudesse paigaldatakse tänapäevaste grafiitanoodide asemel grafeenielektroodid, võidakse saavutada suurem salvestusmaht.
Nende uuringute tulemused võivad pakkuda läbimurde odavate naatriumpatareide väljatöötamisel. Krašeninkovi sõnul on töö puhtalt teoreetiline ega propageeri uue põlvkonna patareide väljatöötamist lähitulevikus ainult uuringu tulemuste põhjal, kuid see võib pakkuda inseneridele huvitavaid uusi ideid.
Tuleviku akud
Tulevikuväljavaated
Tuleviku akud
Õnneks pole naatriumioonaku enam pelgalt teoreetiline kontseptsioon. Läbimurre seotud tehnoloogiates näib olevat lähedal.
Viimased tulemused näitavad, et kallitele liitiumakudele on juba olemas praktilisi, taskukohaseid ja ressursitõhusaid alternatiive ning mitmekihiliste struktuuride abil võidakse isegi oma jõudlust parandada.
Naatriumioonakude tehnoloogia masstootmiseks ja elektriautodes või mobiiltelefonides kasutamiseks valmisolekuks võtab kindlasti aega. Kuid kui aeg on küps, ei tohiks tootmisliini liitiumakudelt naatriumioonakudele üleminekul olla suuri probleeme, kuna tehnoloogia on suhteliselt sarnane.
