Technologijų tendencijos
Natrio jonų akumuliatorius: nauja elektrinių transporto priemonių ateities tendencija
19 liepos, 2021
Bendrinti:
Fonas
Elektromobilio akumuliatoriaus kaina
Kodėl elektromobiliams reikia geresnių akumuliatorių
Elektrinės transporto priemonės, ypač tos, kurios elektros energijai gaminti naudoja atsinaujinančią energiją, laikomos ateities modeliu, kuris padės apsaugoti pasaulinį klimatą. Tačiau automobilių gamintojai daugelį metų akumuliatorių technologijose naudojo retą ir gana brangią ličio bateriją, taip sulėtindami masinio elektrinių transporto priemonių diegimo tempą visame pasaulyje.
Nors elektromobiliai, komercinės transporto priemonės ir elektriniai dviračiai klesti visu pajėgumu, jų naudojimas vis dar ribotas. Didelės kainos, sudėtingos įkrovimo stotelės ir akumuliatorių gamybos procesas, kuriam sunaudojama daug žaliavų, trukdo sparčiai elektromobilių plėtrai.
Kad elektromobiliai taptų plačiai prieinami, automobilių gamintojai turi pristatyti galingesnes, patvaresnes, tvaresnes ir įperkamas baterijas.
Natris vietoj ličio
Medžiagų palyginimas
Natris vietoj ličio
Natrio jonų baterijos gali būti tinkamas pasirinkimas, o pastarieji natrio jonų baterijų pokyčiai buvo stebėtinai progresyvūs. Artimiausioje ateityje natrio jonų baterijos gali pakeisti ličio baterijas, naudojamas elektrinėse transporto priemonėse, išmaniuosiuose telefonuose ar nešiojamuosiuose kompiuteriuose.
Litis ir natris, du šarminiai metalai, pasižymi labai panašiomis cheminėmis savybėmis. Nors natrio energijos tankis yra mažesnis, palyginti su retesniu ličiu, jį gauti lengviau ir jis bus santykinai nebrangus.
Perspektyvūs proveržiai
Prototipo kūrimo eiga
Perspektyvūs proveržiai
Natrio jonų akumuliatorių veikimas vis dar maždaug 20 metų atsilieka nuo ličio akumuliatorių. Taip yra todėl, kad per pastarąjį dešimtmetį ar panašiai tyrėjai daugiausia dėmesio skyrė tik stipresnio ličio akumuliatorių kūrimui.
Šiandien yra ne tik novatoriškų mokslinių publikacijų, bet ir labai į ateitį orientuotų prototipų. Gegužės mėnesį paskelbtoje ataskaitoje teigiama, kad Pietų Korėjoje sukurta natrio jonų baterija buvo įkrauta maždaug 500 kartų, kol jos talpa sumažėjo iki 80 procentų pradinės.
Kita baterija, sukurta JAV ir Kinijos tyrimų komandos, gali atlikti apie 450 įkrovimų, išlaikydama tokią pačią baterijos talpą. Kinijoje pagaminta natrio jonų baterija yra mažesnės talpos, tačiau po 1200 12 minučių greitųjų įkrovimų ji vis dar turi 70 % baterijos talpos.
Tai gali skambėti nedaug, bet praktiškai šios baterijos gali atlaikyti didesnį įkrovimų skaičių, nes jos paprastai nėra įkraunamos po išsikrovimo kasdieniame gyvenime. Visiškas baterijos iškrovimas ir įkrovimas eksperimente labiau ją dėvi.
Metalinis elementas litis yra retesnis ir brangesnis, tačiau dauguma dabartinių baterijų technologijų naudoja ličio baterijas. Originaliame paveikslėlyje parodytos šalys pagal ličio atsargas 2019 m.
Be to, natrio jonų technologijai nereikia ribotų išteklių. Katodams gaminti nereikia retų ličio druskų, pakanka valgomosios druskos. Didelio našumo anodus galima pagaminti iš lignito, medienos ir kitos biomasės. Gamybos procese nereikia kobalto ar panašių retų medžiagų.
Fundamentiniai tyrimai
Grafenas ir natrio jonai
Proveržis fundamentiniuose tyrimuose?
Natris turi du trūkumus: jis sveria tris kartus daugiau nei litis, todėl, nors ličio baterijos sudaro mažiau nei 5 % viso baterijos svorio, baterija su natrio jonais vis tiek svertų daugiau nei ličio baterija.
Be to, natrio baterijų veikimas yra silpnesnis. Kadangi natrio jonai perneša 0,3 volto mažiau nei ličio baterijos, neišvengiamai prarandama apie 10 % energijos tankio. Svarbiausia, kad dabartinių baterijų grafito anodai neleidžia išlaikyti pakankamai natrio.
Vokietijos ir Rusijos darbo grupės, vadovaujamos Helmholco mokslinių tyrimų centro (HZDR) Drezdene (Vokietija), paskelbtoje ataskaitoje teigiama, kad nanokarbonas gali padėti išspręsti šią problemą. Ataskaitoje pažymima, kad naudojant itin ploną anglies medžiagą – dvisluoksnį grafeną – anode galima kaupti daugiau natrio jonų nei grafite.
Jei ateityje grafeno elektrodus bus galima įmontuoti į ličio baterijas, pakeičiant šiandien dažniausiai naudojamus grafito anodus, gali būti įmanoma žymiai padidinti baterijų talpą.
HZDR fizikas Krašeninkovas tai palygino su mažo kamuoliuko įdėjimu tarp dviejų popieriaus lapų: dėdami mažus kamuoliukus tarp popieriaus lapų, popierius bus stumiamas toliau vienas nuo kito, o tarpas tarp dviejų lapų padidės.
Suderinama technologija
Daugiasluoksnė struktūra
Suderinama technologija?
Jei daugiasluoksnė ličio baterijų struktūra veikia, ar ji taikoma ir kitiems šarminiams metalams, pavyzdžiui, natriui? Darbuotojų komanda iš Dresdeno, Štutgarto ir Maskvos tikisi tai išsiaiškinti, naudodama sudėtingas superkompiuterių simuliacijas.
Kadangi natrio jonų akumuliatorių prototipai iki šiol neveikė gerai, nes natris vos gali patekti į grafito anodą, kompiuteriniai skaičiavimai rodo, kad natris, kaip ir litis, gali būti įterptas tarp grafeno sluoksnių daugiasluoksnėje struktūroje.
Ateityje, jei natrio jonų baterijose vietoj dabartinių grafito anodų bus įrengti grafeno elektrodai, galima pasiekti didesnę talpą.
Šių tyrimų rezultatai gali būti proveržis kuriant nebrangias natrio baterijas. Krašeninkovas teigė, kad darbas yra grynai teorinis ir neskatina kurti naujos kartos baterijų artimiausioje ateityje, remiantis vien tik tyrimo rezultatais, tačiau jis gali suteikti įdomių naujų idėjų inžinieriams.
Ateities baterijos
Ateities perspektyvos
Ateities baterijos
Laimei, natrio jonų akumuliatorius nebėra tik teorinė koncepcija. Atrodo, kad susijusių technologijų proveržis jau visai netoli.
Naujausi duomenys rodo, kad jau yra praktiškų, įperkamų ir išteklius taupančių alternatyvų brangioms ličio baterijoms, ir jos netgi gali pagerinti savo našumą, pasitelkdamos daugiasluoksnes struktūras.
Žinoma, prireiks šiek tiek laiko, kol natrio jonų akumuliatorių technologija bus paruošta masinei gamybai ir naudojimui elektrinėse transporto priemonėse ar mobiliuosiuose telefonuose. Tačiau kai ateis tinkamas laikas, neturėtų kilti didelių problemų perkeliant gamybos liniją nuo ličio akumuliatorių prie natrio jonų akumuliatorių, nes technologija yra gana panaši.
