Technikai trendek
Nátrium-ion akkumulátor: az elektromos járművek jövőjének új trendje
július 19, 2021
Részesedés:
Háttér
Elektromos jármű akkumulátorának költsége
Miért van szükségük jobb akkumulátorokra az elektromos járművekhez?
Az elektromos járműveket, különösen azokat, amelyek megújuló energiát használnak az áramtermeléshez, a jövő modelljének tekintik, amely elősegíti a globális klímavédelmet. Az autógyártók azonban évek óta ritka és viszonylag drága lítiumot használnak az akkumulátortechnológiában, ami lassítja az elektromos járművek tömeges elterjedését világszerte.
Bár az elektromos autók, haszongépjárművek és elektromos kerékpárok teljes lendülettel terjednek, használatuk még mindig korlátozott. A magas árak, a nehézkes töltőállomások és a nagy mennyiségű nyersanyagot fogyasztó akkumulátorgyártási folyamat akadályozza az elektromos járművek gyors fejlődését.
Ahhoz, hogy az elektromos járművek széles körben elérhetővé váljanak, az autógyártóknak olyan akkumulátorokat kell bevezetniük, amelyek erősebbek, tartósabbak, fenntarthatóbbak és megfizethetőbbek.
Nátrium lítium helyett
Anyagösszehasonlítás
Nátrium lítium helyett
A nátrium-ion akkumulátorok életképes alternatívát jelenthetnek, és a nátrium-ion akkumulátorok terén elért legújabb fejlesztések meglepően progresszívek. A belátható jövőben a nátrium-ion akkumulátorok képesek lehetnek az elektromos járművekben, okostelefonokban vagy notebookokban használt lítium akkumulátorok helyettesítésére.
A lítium és a nátrium, két alkálifém, nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezik. Bár a nátrium energiasűrűsége alacsonyabb a ritkább lítiuméhoz képest, a nátrium könnyebben előállítható és viszonylag olcsó is.
Ígéretes áttörések
Prototípus előrehaladása
Ígéretes áttörések
A nátrium-ion akkumulátorok teljesítménye még mindig körülbelül 20 évvel elmarad a lítium akkumulátorokétól. Ennek az az oka, hogy az elmúlt évtizedben a kutatók csak a lítium erősebb teljesítményének fejlesztésére összpontosítottak.
Ma már nemcsak úttörő tudományos publikációk, hanem nagyon előremutató prototípusok is léteznek. Egy májusban közzétett jelentés szerint egy Dél-Koreában kifejlesztett nátrium-ion akkumulátor körülbelül 500 teljes töltési cikluson ment keresztül, mielőtt kapacitása az eredeti kapacitás 80 százalékára csökkent.
Egy másik, amerikai-kínai kutatócsoport által kifejlesztett akkumulátor körülbelül 450 újratöltést képes teljesíteni azonos kapacitás mellett. Egy kínai gyártmányú nátrium-ion akkumulátor kisebb kapacitású, de 1200 db 12 perces gyorstöltés után is a kapacitás 70%-ával rendelkezik.
Lehet, hogy ez nem hangzik soknak, de a gyakorlatban ezek az akkumulátorok több újratöltést is kibírhatnak, mivel a mindennapi életben jellemzően nem töltik őket újra lemerülés után. A kísérletben az akkumulátor teljes lemerítése és újratöltése jobban igénybe veszi az akkumulátort.
A lítium fémes elem ritkább és drágább, de a legtöbb jelenlegi akkumulátor-technológia lítium akkumulátorokat használ. Az eredeti ábra a 2019-es lítiumkészletek tekintetében vezető országokat mutatja.
Ezenkívül a nátriumion-technológia nem igényli a szűkös erőforrások felhasználását. A katódok előállításához nincs szükség ritka lítiumsókra, mivel az asztali só elegendő. Nagy teljesítményű anódok lignitből, fából és más biomasszából is előállíthatók. A gyártási folyamatban nincs szükség kobaltra vagy hasonló ritka anyagokra.
Alapkutatás
Grafén és nátriumionok
Áttörés az alapkutatásban?
A nátriumnak két hátránya van: háromszor annyit nyom, mint a lítium, így bár a lítium akkumulátorok az akkumulátor teljes súlyának kevesebb mint 5%-át teszik ki, egy nátriumionokat tartalmazó akkumulátor még mindig többet nyomna, mint egy lítium akkumulátor.
Ezenkívül a nátrium akkumulátorok teljesítménye gyengébb. Mivel a nátriumionok 0,3 volttal kevesebb energiát hordoznak, mint a lítium akkumulátorok, az energiasűrűségük elkerülhetetlenül körülbelül 10%-kal csökken. A legfontosabb, hogy a jelenlegi akkumulátorok grafit anódjai nem engednek elegendő nátriumot visszamaradni.
A drezdai Helmholtz Tudományos Kutatóközpont (HZDR) vezette német-orosz munkacsoport által közzétett jelentés szerint a nanokarbon segíthet ezen a problémán javítani. A jelentés megjegyzi, hogy egy ultravékony szén anyag, a kétrétegű grafén használata több nátriumiont képes tárolni az anódban, mint a grafit.
Ha a grafénelektródákat a jövőben lítium akkumulátorokba lehet beépíteni, lecserélve a ma általánosan használt grafit anódokat, akkor jelentősen növelhető lehet az akkumulátor kapacitása.
Krasheninkov, a HZDR fizikusa, ahhoz hasonlította ezt, mintha egy kis golyót tennénk két papírlap közé: minél több kis golyót teszünk a papírlapok közé, annál jobban eltolódik a papírlap egymástól, és a két lap közötti rés növekszik.
Kompatibilis technológia
Többrétegű szerkezet
Kompatibilis technológia?
Ha a lítium akkumulátorok többrétegű szerkezete működik, vajon más alkálifémekre, például nátriumra is vonatkozik? Egy drezdai, stuttgarti és moszkvai kutatókból álló csapat kifinomult szuperszámítógépes szimulációk segítségével reméli, hogy kideríti a választ.
Mivel a nátrium-ion akkumulátor prototípusok eddig nem működtek jól, mivel a nátrium csak alig tud bejutni a grafit anódba, a számítógépes számítások azt mutatják, hogy a nátrium, akárcsak a lítium, beágyazható a grafénrétegek közé egy többrétegű szerkezetben.
A jövőben, ha grafénelektródákat szerelnek be a nátriumion akkumulátorokba a mai grafit anódok helyett, nagyobb tárolókapacitás érhető el.
Ezen tanulmányok eredményei áttörést hozhatnak az olcsó nátrium akkumulátorok fejlesztésében. Krasheninkov szerint a munka pusztán elméleti jellegű, és nem javasolja egy új generációs akkumulátor kifejlesztését a belátható jövőben, kizárólag a tanulmány eredményei alapján, de érdekes új ötletekkel szolgálhat a mérnökök számára.
A jövő akkumulátorai
Jövőbeli kilátások
A jövő akkumulátorai
Szerencsére a nátrium-ion akkumulátor már nem csupán elméleti koncepció. Úgy tűnik, hogy a kapcsolódó technológiák áttörése a küszöbön áll.
A legújabb eredmények azt mutatják, hogy már léteznek praktikus, megfizethető és erőforrás-hatékony alternatívák a drága lítium akkumulátorok helyett, sőt, többrétegű szerkezetek révén akár javíthatják is teljesítményüket.
Bizonyára eltart majd egy ideig, mire a nátrium-ion akkumulátor technológia készen áll a tömeggyártásra és az elektromos járművekben vagy mobiltelefonokban való használatra. De amint eljön az ideje, nem lesz nagy probléma a lítium akkumulátorokról nátrium-ion akkumulátorokra való átállás, mivel a technológia viszonylag hasonló.
