Tehnoloģiju tendences
Nātrija jonu akumulators: jaunā elektrisko transportlīdzekļu nākotnes tendence
19 jūlijs, 2021
Kopīgot:
Fons
Elektromobiļa akumulatora izmaksas
Kāpēc elektriskajiem transportlīdzekļiem nepieciešami labāki akumulatori
Elektrotransportlīdzekļi, īpaši tie, kas elektroenerģijas ražošanai izmanto atjaunojamo enerģiju, tiek uzskatīti par nākotnes modeli, kas palīdzēs aizsargāt globālo klimatu. Taču gadiem ilgi automašīnu ražotāji akumulatoru tehnoloģijās ir izmantojuši reto un salīdzinoši dārgo litiju, palēninot elektrotransportlīdzekļu masveida ieviešanas tempu visā pasaulē.
Lai gan elektroautomobiļi, komerciālie transportlīdzekļi un elektriskie velosipēdi ir pilnā sparā, to izmantošana joprojām ir ierobežota. Augstās cenas, apgrūtinošas uzlādes iekārtas un akumulatoru ražošanas process, kurā tiek patērēts liels daudzums izejvielu, kavē elektrotransportlīdzekļu straujo attīstību.
Lai elektrotransportlīdzekļi būtu plaši pieejami, automašīnu ražotājiem ir jāievieš jaudīgāki, izturīgāki, ilgtspējīgāki un pieejamāki akumulatori.
Nātrijs litija vietā
Materiālu salīdzinājums
Nātrijs litija vietā
Nātrija jonu akumulatori varētu būt dzīvotspējīga alternatīva, un nesenā attīstība nātrija jonu akumulatoru jomā ir bijusi pārsteidzoši progresīva. Pārredzamā nākotnē nātrija jonu akumulatori varētu aizstāt litija akumulatorus, ko izmanto elektriskajos transportlīdzekļos, viedtālruņos vai klēpjdatoros.
Litijam un nātrijam, diviem sārmu metāliem, ir ļoti līdzīgas ķīmiskās īpašības. Lai gan nātrija enerģijas blīvums ir zemāks salīdzinājumā ar retāk sastopamo litiju, nātriju ir vieglāk iegūt, un tas būs salīdzinoši lēts.
Daudzsološi sasniegumi
Prototipa progress
Daudzsološi sasniegumi
Nātrija jonu akumulatoru veiktspēja joprojām ir aptuveni 20 gadus atpalikusi no litija akumulatoru veiktspējas. Iemesls ir tāds, ka pēdējo desmit gadu laikā pētnieki ir koncentrējušies tikai uz litija spēcīgākās veiktspējas izstrādi.
Mūsdienās ir ne tikai revolucionāras zinātniskas publikācijas, bet arī ļoti uz nākotni vērsti prototipi. Saskaņā ar maijā publicētu ziņojumu Dienvidkorejā izstrādāts nātrija jonu akumulators izgāja aptuveni 500 pilnas uzlādes ciklus, pirms tā jauda samazinājās līdz 80 procentiem no sākotnējās ietilpības.
Cits akumulators, ko izstrādājusi ASV un Ķīnas pētnieku komanda, var veikt aptuveni 450 uzlādes ar tādu pašu akumulatora ietilpību. Ķīnā ražotam nātrija jonu akumulatoram ir mazāka ietilpība, taču pēc 1200 12 minūšu ātrām uzlādēm tam joprojām ir 70% no akumulatora ietilpības.
Tas var neizklausīties daudz, taču praksē šīs baterijas varētu izturēt lielāku uzlādes reižu skaitu, jo ikdienā tās parasti netiek uzlādētas pēc iztukšošanas. Pilnīga baterijas izlāde un uzlāde eksperimentā rada lielāku baterijas nodilumu.
Metāla elements litijs ir retāk sastopams un dārgāks, taču lielākā daļa pašreizējo akumulatoru tehnoloģiju izmanto litija baterijas. Sākotnējais attēls parāda valstis ar lielākajām litija rezervēm 2019. gadā.
Turklāt nātrija jonu tehnoloģijai nav nepieciešami ierobežoti resursi. Katodu izgatavošanai nav nepieciešami reti litija sāļi, jo pietiek ar galda sāli. Augstas veiktspējas anodus var izgatavot no lignīta, koksnes un citas biomasas. Ražošanas procesā nav nepieciešams kobalts vai līdzīgas retas vielas.
Fundamentālie pētījumi
Grafēna un nātrija joni
Izrāviens fundamentālajos pētījumos?
Nātrija joniem ir divi trūkumi: tas sver trīs reizes vairāk nekā litijs, tāpēc, lai gan litija akumulatori satur mazāk nekā 5% no kopējā akumulatora svara, akumulators ar nātrija joniem joprojām svērtu vairāk nekā litija akumulators.
Turklāt nātrija bateriju veiktspēja ir vājāka. Tā kā nātrija joni pārnēsā par 0,3 voltiem mazāku strāvu nekā litija baterijas, neizbēgami rodas aptuveni 10% enerģijas blīvuma zudums. Vissvarīgākais ir tas, ka pašreizējo bateriju grafīta anodi neļauj uzturēties pietiekami daudz nātrija.
Saskaņā ar ziņojumu, ko publicējusi vācu-krievu darba grupa, kuru vada Helmholca zinātniskās pētniecības centrs (HZDR) Drēzdenē, Vācijā, nanoogleklis var palīdzēt uzlabot šo problēmu. Ziņojumā norādīts, ka īpaši plāna oglekļa materiāla, divslāņu grafēna, izmantošana anodā var uzglabāt vairāk nātrija jonu nekā grafīts.
Ja grafēna elektrodus nākotnē varēs uzstādīt litija baterijās, aizstājot mūsdienās plaši izmantotos grafīta anodus, varētu būt iespējams ievērojami palielināt bateriju ietilpību.
Krašeninkovs, HZDR fiziķis, to salīdzināja ar mazas bumbiņas ievietošanu starp divām papīra loksnēm: turpinot ievietot mazas bumbiņas starp papīra loksnēm, papīrs tiks tālāk atdalīts no cita papīra, un atstarpe starp abām loksnēm palielināsies.
Saderīga tehnoloģija
Daudzslāņu struktūra
Saderīga tehnoloģija?
Ja daudzslāņu struktūra litija baterijām darbojas, vai tā attiecas arī uz citiem sārmu metāliem, piemēram, nātriju? Darbinieku komanda no Drēzdenes, Štutgartes un Maskavas cer to noskaidrot, izmantojot sarežģītas superdatoru simulācijas.
Tā kā nātrija jonu akumulatoru prototipi līdz šim nav labi darbojušies, jo nātrijs tikai knapi var iekļūt grafīta anodā, datoraprēķini liecina, ka nātrijs, tāpat kā litijs, var tikt iestrādāts starp grafēna slāņiem daudzslāņu struktūrā.
Nākotnē, ja nātrija jonu akumulatoros mūsdienu grafīta anodu vietā tiks uzstādīti grafēna elektrodi, varētu panākt lielāku uzglabāšanas jaudu.
Šo pētījumu rezultāti varētu nodrošināt izrāvienu lētu nātrija akumulatoru izstrādē. Krašeninkovs sacīja, ka darbs ir tīri teorētisks un neaicina izstrādāt jaunas paaudzes akumulatorus pārskatāmā nākotnē, pamatojoties tikai uz pētījumu rezultātiem, taču tas varētu sniegt interesantas jaunas idejas inženieriem.
Nākotnes baterijas
Nākotnes perspektīvas
Nākotnes baterijas
Par laimi, nātrija jonu akumulators vairs nav tikai teorētisks koncepts. Šķiet, ka sasaistošo tehnoloģiju izrāviens ir tuvu.
Jaunākie atklājumi liecina, ka jau pastāv praktiskas, pieejamas un resursu ziņā efektīvas alternatīvas dārgām litija baterijām, un tās pat varētu uzlabot savu veiktspēju, izmantojot daudzslāņu struktūras.
Noteikti paies zināms laiks, līdz nātrija jonu akumulatoru tehnoloģija būs gatava masveida ražošanai un izmantošanai elektriskajos transportlīdzekļos vai mobilajos tālruņos. Taču, kad pienāks īstais laiks, nevajadzētu rasties lielām problēmām pārslēgties uz ražošanas līniju no litija akumulatoriem uz nātrija jonu akumulatoriem, jo tehnoloģija ir relatīvi līdzīga.
