Teknologiatrendit
Natriumioniakku: sähköajoneuvojen tulevaisuuden uusi trendi
19 heinäkuun, 2021
Jakaa:
Tausta
Sähköauton akun hinta
Miksi sähköajoneuvot tarvitsevat parempia akkuja
Sähköajoneuvoja, erityisesti uusiutuvaa energiaa sähkön tuottamiseen käyttäviä, pidetään tulevaisuuden mallina, joka auttaa maailmanlaajuisessa ilmastonsuojelussa. Autonvalmistajat ovat kuitenkin vuosien ajan käyttäneet harvinaista ja suhteellisen kallista litiumia akkuteknologiassa, mikä hidastaa sähköajoneuvojen massakäyttöönottoa maailmanlaajuisesti.
Vaikka sähköautot, hyötyajoneuvot ja sähköpolkupyörät ovat täydessä vauhdissa, niiden käyttö on edelleen rajallista. Korkeat hinnat, hankalat latausasemat ja paljon raaka-aineita kuluttava akkujen tuotantoprosessi haittaavat sähköajoneuvojen nopeaa kehitystä.
Jotta sähköajoneuvoja olisi laajalti saatavilla, autonvalmistajien on otettava käyttöön tehokkaampia, kestävämpiä, ympäristöystävällisempiä ja edullisempia akkuja.
Natrium litiumin sijaan
Materiaalien vertailu
Natrium litiumin sijaan
Natriumioniakut saattavat olla varteenotettava vaihtoehto, ja viimeaikainen kehitys natriumioniakkujen alalla on ollut yllättävän edistyksellistä. Lähitulevaisuudessa natriumioniakut saattavat pystyä korvaamaan sähköajoneuvoissa, älypuhelimissa tai kannettavissa tietokoneissa käytettävät litiumakut.
Litium ja natrium, kaksi alkalimetallia, ovat kemiallisesti hyvin samankaltaisia. Vaikka natriumin energiatiheys on pienempi kuin harvinaisemman litiumin, natriumia on helpompi saada ja se on suhteellisen edullista.
Lupaavia läpimurtoja
Prototyypin edistyminen
Lupaavia läpimurtoja
Natriumioniakkujen suorituskyky on edelleen noin 20 vuotta litiumakkujen jäljessä. Syynä tähän on se, että viimeisen vuosikymmenen aikana tutkijat ovat keskittyneet vain litiumin tehokkaampien ominaisuuksien kehittämiseen.
Nykyään on olemassa paitsi uraauurtavia tieteellisiä julkaisuja myös erittäin tulevaisuuteen suuntautuneita prototyyppejä. Toukokuussa julkaistun raportin mukaan Etelä-Koreassa kehitetty natriumioniakku kävi läpi noin 500 täyttä lataussykliä ennen kuin sen kapasiteetti laski 80 prosenttiin alkuperäisestä kapasiteetistaan.
Toinen yhdysvaltalais-kiinalaisen tutkimusryhmän kehittämä akku kestää noin 450 latausta samalla akkukapasiteetilla. Kiinassa valmistetulla natriumioniakulla on pienempi kapasiteetti, mutta 1200 12 minuutin pikalatauksen jälkeen siinä on edelleen 70 % akun kapasiteetista.
Se ei ehkä kuulosta paljolta, mutta käytännössä nämä akut saattavat kestää suuremman määrän latauskertoja, koska niitä ei yleensä ladata uudelleen tyhjän latauksen jälkeen jokapäiväisessä elämässä. Akun täydellinen purkaminen ja lataaminen kokeessa kuluttaa akkua enemmän.
Litium-metalli on harvinaisempi ja kalliimpi, mutta useimmat nykyiset akkuteknologiat käyttävät litium-akkuja. Alkuperäinen kuva näyttää litiumvarantojen suhteen suurimmat maat vuonna 2019.
Lisäksi natriumioniteknologia ei vaadi niukkojen luonnonvarojen käyttöä. Katodien valmistukseen ei tarvita harvinaisia litiumsuoloja, sillä pöytäsuola riittää. Tehokkaita anodeja voidaan valmistaa ruskohiilestä, puusta ja muusta biomassasta. Kobolttia tai vastaavia harvinaisia aineita ei tarvita tuotantoprosessissa.
Perustutkimus
Grafeeni ja natriumionit
Läpimurto perustutkimuksessa?
Natriumilla on kaksi haittapuolta: se painaa kolme kertaa enemmän kuin litium, joten vaikka litiumakut sisältävät alle 5 % akun kokonaispainosta, natriumioneja sisältävä akku painaisi silti enemmän kuin litiumakku.
Lisäksi natriumakkujen suorituskyky on heikompi. Koska natriumionit kuljettavat 0,3 volttia vähemmän energiaa kuin litium-akut, energiatiheys heikkenee väistämättä noin 10 %. Mikä tärkeintä, nykyisten akkujen grafiittianodit eivät salli riittävästi natriumia.
Dresdenissä sijaitsevan Helmholtz-keskuksen tieteellisestä tutkimuslaitoksesta (HZDR) johdetun saksalais-venäläisen työryhmän julkaiseman raportin mukaan nanohiili voi auttaa parantamaan tätä ongelmaa. Raportissa todetaan, että ultraohuen hiilimateriaalin, kaksikerroksisen grafeenin, käyttö voi varastoida anodiin enemmän natriumioneja kuin grafiitti.
Jos grafeenielektrodit voidaan tulevaisuudessa asentaa litium-akkuihin ja korvata nykyään yleisesti käytetyt grafiittianodit, akun kapasiteettia voidaan mahdollisesti lisätä merkittävästi.
HZDR:n fyysikko Krasheninkov vertasi sitä pienen pallon asettamiseen kahden paperiarkin väliin: kun lisäät pieniä palloja paperin väliin, paperi työntyy kauemmas toisistaan ja kahden arkin välinen rako kasvaa.
Yhteensopiva tekniikka
Monikerroksinen rakenne
Yhteensopiva teknologia?
Jos litiumparistojen monikerrosrakenne toimii, päteekö se myös muihin alkalimetalleihin, kuten natriumiin? Dresdenin, Stuttgartin ja Moskovan tutkijaryhmä toivoo selvittävänsä asian hienostuneiden supertietokonesimulaatioiden avulla.
Koska natriumioniakkujen prototyypit eivät ole tähän mennessä toimineet hyvin, koska natrium pääsee vain tuskin grafiittianodiin, tietokonelaskelmat osoittavat, että natrium, aivan kuten litium, voidaan upottaa grafeenikerrosten väliin monikerrosrakenteessa.
Tulevaisuudessa, jos natriumioniakkuihin asennetaan grafeenielektrodeja nykyisten grafiittianodien sijaan, voidaan saavuttaa suurempi varastointikapasiteetti.
Näiden tutkimusten tulokset voivat tarjota läpimurron edullisten natriumakkujen kehittämisessä. Krasheninkov sanoi, että työ on puhtaasti teoreettinen eikä se kannata uuden sukupolven akkujen kehittämistä lähitulevaisuudessa pelkästään tutkimustulosten perusteella, mutta se voi tarjota insinööreille mielenkiintoisia uusia ideoita.
Tulevaisuuden akut
Tulevaisuudennäkymät
Tulevaisuuden akut
Onneksi natriumioniakku ei ole enää vain teoreettinen käsite. Läpimurto asiaan liittyvissä teknologioissa näyttää olevan lähellä.
Uusimmat havainnot osoittavat, että kalliille litiumakuille on jo olemassa käytännöllisiä, edullisia ja resurssitehokkaita vaihtoehtoja, ja ne saattavat jopa parantaa suorituskykyään monikerrosrakenteiden avulla.
Natriumioni-akkuteknologian massatuotantoon ja käyttöön sähköajoneuvoissa tai matkapuhelimissa siirtyminen vie varmasti jonkin aikaa. Mutta kun aika on kypsä, tuotantolinjan vaihtamisen litium-akuista natriumioniakkuihin ei pitäisi olla suuria ongelmia, koska teknologia on suhteellisen samanlainen.
