Tehnološki trendovi
Natrij-ionska baterija: novi trend budućnosti električnih vozila
19 srpnja, 2021
Udio:
Pozadina
Cijena baterije za električna vozila
Zašto električnim vozilima trebaju bolje baterije
Električna vozila, posebno ona koja koriste obnovljivu energiju za proizvodnju električne energije, smatraju se budućim modelom koji će pomoći u globalnoj zaštiti klime. No, godinama proizvođači automobila koriste rijedak i relativno skup litij u tehnologiji baterija, usporavajući tempo masovnog prihvaćanja električnih vozila diljem svijeta.
Iako su električni automobili, komercijalna vozila i električni bicikli u punom jeku, njihova upotreba je još uvijek ograničena. Visoke cijene, glomazni punionici i proces proizvodnje baterija koji troši velike količine sirovina ometaju brzi razvoj električnih vozila.
Kako bi električna vozila bila široko dostupna, proizvođači automobila moraju uvesti baterije koje su snažnije, izdržljivije, održivije i pristupačnije.
Natrij umjesto litija
Usporedba materijala
Natrij umjesto litija
Natrij-ionske baterije mogle bi biti održiva opcija, a nedavni razvoj natrij-ionskih baterija bio je iznenađujuće progresivan. U doglednoj budućnosti, natrij-ionske baterije mogle bi zamijeniti litijeve baterije koje se koriste u električnim vozilima, pametnim telefonima ili prijenosnim računalima.
Litij i natrij, dva alkalna metala, imaju vrlo slična kemijska svojstva. Iako natrij ima nižu gustoću energije u usporedbi s rjeđim litijem, natrij je lakše dobiti i bit će relativno jeftin.
Obećavajući proboji
Napredak prototipa
Obećavajući prodori
Performanse natrij-ionskih baterija još uvijek zaostaju za litijevim baterijama oko 20 godina. Razlog tome je što su se istraživači u posljednjem desetljeću usredotočili samo na razvoj jačih performansi litijevih baterija.
Danas postoje ne samo revolucionarne znanstvene publikacije, već i vrlo napredni prototipovi. Prema izvješću objavljenom u svibnju, natrij-ionska baterija razvijena u Južnoj Koreji prošla je kroz oko 500 ciklusa potpunog punjenja prije nego što joj je kapacitet pao na 80 posto izvornog kapaciteta.
Druga baterija, koju je razvio istraživački tim SAD-a i Kine, može dovršiti oko 450 punjenja za isti kapacitet baterije. Natrij-ionska baterija proizvedena u Kini ima manji kapacitet, ali nakon 1200 brzih punjenja od 12 minuta, još uvijek ima 70% kapaciteta baterije.
Možda ne zvuči puno, ali u praksi ove baterije mogu izdržati veći broj punjenja jer se obično ne pune nakon što se isprazne u svakodnevnom životu. Potpuno pražnjenje i ponovno punjenje baterije u eksperimentu više je troši.
Metalni element litij je rjeđi i skuplji, ali većina trenutnih tehnologija baterija koristi litijeve baterije. Izvorna slika prikazuje zemlje s najvećim rezervama litija u 2019. godini.
Osim toga, tehnologija natrijevih iona ne zahtijeva korištenje oskudnih resursa. Rijetke litijeve soli nisu potrebne za izradu katoda, jer je dovoljna kuhinjska sol. Visokoučinkovite anode mogu se izraditi od lignita, drva i druge biomase. Kobalt ili slične rijetke tvari nisu potrebne u proizvodnom procesu.
Osnovna istraživanja
Grafen i natrijevi ioni
Proboj u temeljnim istraživanjima?
Natrij ima dva nedostatka: teži tri puta više od litija, pa iako litijeve baterije sadrže manje od 5% ukupne težine baterije, baterija s natrijevim ionima i dalje bi težila više od litijeve baterije.
Osim toga, performanse natrijevih baterija su slabije. Budući da natrijevi ioni nose 0,3 volta manje od litijevih baterija, neizbježan je gubitak gustoće energije od oko 10%. Najvažnije je da grafitne anode trenutnih baterija ne dopuštaju dovoljno zadržavanja natrija.
Prema izvješću koje je objavila njemačko-ruska radna skupina koju vodi Helmholtzov centar za znanstvena istraživanja (HZDR) u Dresdenu u Njemačkoj, nanougljik može pomoći u poboljšanju ovog problema. U izvješću se navodi da upotreba ultra tankog ugljičnog materijala, dvoslojnog grafena, može pohraniti više natrijevih iona u anodi nego grafit.
Ako se grafenske elektrode u budućnosti mogu ugraditi u litijeve baterije, zamijenivši danas uobičajeno korištene grafitne anode, moglo bi biti moguće značajno povećati kapacitet baterije.
Krašeninkov, fizičar na HZDR-u, usporedio je to sa stavljanjem male kuglice između dva lista papira: ako nastavite dodavati male kuglice između papira, papir će se dodatno udaljiti, a razmak između dva lista će se povećati.
Kompatibilna tehnologija
Višeslojna struktura
Kompatibilna tehnologija?
Ako višeslojna struktura za litijeve baterije funkcionira, primjenjuje li se i na druge alkalne metale poput natrija? Tim radnika iz Dresdena, Stuttgarta i Moskve nada se da će to saznati pomoću sofisticiranih superračunalnih simulacija.
Budući da prototipovi natrij-ionskih baterija do sada nisu dobro funkcionirali jer natrij jedva može ući u grafitnu anodu, računalni izračuni pokazuju da se natrij, baš kao i litij, može ugraditi između slojeva grafena u višeslojnu strukturu.
U budućnosti, ako se u natrij-ionske baterije umjesto današnjih grafitnih anoda ugrade grafenske elektrode, mogao bi se postići veći kapacitet pohrane.
Rezultati ovih studija mogli bi pružiti proboj u razvoju jeftinih natrijevih baterija. Krašeninkov je rekao da je rad isključivo teoretski i ne zagovara razvoj nove generacije baterija u doglednoj budućnosti samo na temelju rezultata studije, ali bi mogao pružiti zanimljive nove ideje inženjerima.
Baterije budućnosti
Budući izgledi
Baterije budućnosti
Srećom, natrij-ionska baterija više nije samo teorijski koncept. Čini se da je proboj u srodnim tehnologijama nadohvat ruke.
Najnovija otkrića pokazuju da već postoje praktične, pristupačne i resursno učinkovite alternative skupim litijevim baterijama, a one bi čak mogle poboljšati njihove performanse višeslojnim strukturama.
Svakako će proći neko vrijeme prije nego što tehnologija natrij-ionskih baterija bude spremna za masovnu proizvodnju i upotrebu u električnim vozilima ili mobitelima. No, kada vrijeme sazrije, ne bi trebalo biti puno problema s prelaskom proizvodne linije s litijevih baterija na natrij-ionske baterije jer je tehnologija relativno slična.
