Trendy technologiczne
Akumulator sodowo-jonowy: nowy trend przyszłości pojazdów elektrycznych
19 lipca, 2021
Udział:
Tło
Koszt akumulatora pojazdu elektrycznego
Dlaczego pojazdy elektryczne potrzebują lepszych baterii
Pojazdy elektryczne, zwłaszcza te wykorzystujące energię odnawialną do wytwarzania energii elektrycznej, są postrzegane jako model przyszłości, który pomoże w globalnej ochronie klimatu. Jednak od lat producenci samochodów stosują rzadki i stosunkowo drogi lit w technologii akumulatorów, co spowalnia tempo masowej adopcji pojazdów elektrycznych na całym świecie.
Chociaż samochody elektryczne, pojazdy użytkowe i rowery elektryczne cieszą się ogromną popularnością, ich wykorzystanie wciąż jest ograniczone. Wysokie ceny, uciążliwe stacje ładowania oraz proces produkcji akumulatorów, który pochłania duże ilości surowców, hamują szybki rozwój pojazdów elektrycznych.
Aby pojazdy elektryczne stały się szeroko dostępne, producenci samochodów muszą wprowadzić na rynek akumulatory o większej mocy, trwałości, ekologiczności i przystępniejszej cenie.
Sód zamiast litu
Porównanie materiałów
Sód zamiast litu
Baterie sodowo-jonowe mogą być realną opcją, a ostatnie postępy w rozwoju baterii sodowo-jonowych są zaskakująco postępowe. W dającej się przewidzieć przyszłości baterie sodowo-jonowe mogą zastąpić baterie litowe stosowane w pojazdach elektrycznych, smartfonach czy notebookach.
Lit i sód, dwa metale alkaliczne, mają bardzo podobne właściwości chemiczne. Chociaż sód ma niższą gęstość energetyczną w porównaniu z rzadszym litem, sód jest łatwiejszy do zdobycia i stosunkowo niedrogi.
Obiecujące przełomy
Postęp prototypu
Obiecujące przełomy
Wydajność akumulatorów sodowo-jonowych jest wciąż o około 20 lat niższa niż baterii litowych. Powodem jest to, że naukowcy w ciągu ostatniej dekady koncentrowali się wyłącznie na rozwijaniu większej wydajności litu.
Dziś istnieją nie tylko przełomowe publikacje naukowe, ale także bardzo przyszłościowe prototypy. Według raportu opublikowanego w maju, bateria sodowo-jonowa opracowana w Korei Południowej przeszła około 500 cykli pełnego ładowania, zanim jej pojemność spadła do 80% pierwotnej pojemności.
Inny akumulator, opracowany przez amerykańsko-chiński zespół badawczy, może wykonać około 450 cykli ładowania przy tej samej pojemności. Chiński akumulator sodowo-jonowy ma mniejszą pojemność, ale po 1200 12-minutowych szybkich ładowaniach nadal zachowuje 70% swojej pojemności.
Może się to wydawać mało, ale w praktyce te baterie mogą wytrzymać większą liczbę ładowań, ponieważ zazwyczaj nie są ładowane po rozładowaniu w codziennym życiu. Całkowite rozładowanie i ponowne naładowanie baterii w eksperymencie powoduje większe zużycie baterii.
Lit, pierwiastek metaliczny, jest rzadszy i droższy, ale większość obecnych technologii baterii wykorzystuje baterie litowe. Oryginalny wykres przedstawia kraje o największych rezerwach litu w 2019 roku.
Ponadto technologia sodowo-jonowa nie wymaga wykorzystania ograniczonych zasobów. Do produkcji katod nie są potrzebne rzadkie sole litu, ponieważ wystarczy sól kuchenna. Wysokowydajne anody można wytwarzać z węgla brunatnego, drewna i innych biomas. Kobalt i podobne rzadkie substancje nie są potrzebne w procesie produkcyjnym.
Badania podstawowe
Grafen i jony sodu
Przełom w badaniach podstawowych?
Sód ma dwie wady: waży trzy razy więcej niż lit, więc mimo że baterie litowe stanowią mniej niż 5% całkowitej masy baterii, bateria zawierająca jony sodu nadal będzie ważyła więcej niż bateria litowa.
Ponadto wydajność akumulatorów sodowych jest słabsza. Ponieważ jony sodu przenoszą o 0,3 V mniej niż akumulatory litowe, nieuchronnie następuje utrata około 10% gęstości energii. Co najważniejsze, grafitowe anody obecnych akumulatorów nie pozwalają na zgromadzenie wystarczającej ilości sodu.
Według raportu opublikowanego przez niemiecko-rosyjską grupę roboczą pod kierownictwem Centrum Badań Naukowych Helmholtza (HZDR) w Dreźnie, nanowęgiel może pomóc w rozwiązaniu tego problemu. W raporcie stwierdzono, że zastosowanie ultracienkiego materiału węglowego, dwuwarstwowego grafenu, może magazynować więcej jonów sodu w anodzie niż grafit.
Jeśli w przyszłości uda się zamontować elektrody grafenowe w bateriach litowych, zastępując powszechnie stosowane obecnie anody grafitowe, możliwe będzie znaczne zwiększenie pojemności baterii.
Krasheninkov, fizyk z HZDR, porównał to do umieszczenia małej kulki między dwiema kartkami papieru: jeśli będziemy dodawać kolejne kulki między kartkami, kartki będą się od siebie oddalać, a szczelina między kartkami będzie się zwiększać.
Kompatybilna technologia
Struktura wielowarstwowa
Kompatybilna technologia?
Jeśli wielowarstwowa struktura baterii litowych się sprawdzi, czy sprawdzi się również w przypadku innych metali alkalicznych, takich jak sód? Zespół naukowców z Drezna, Stuttgartu i Moskwy ma nadzieję to sprawdzić za pomocą zaawansowanych symulacji superkomputerowych.
Ponieważ prototypy akumulatorów sodowo-jonowych do tej pory nie działały zbyt dobrze, gdyż sód ledwo wnikał w anodę grafitową, obliczenia komputerowe wykazały, że sód, podobnie jak lit, może być osadzony między warstwami grafenu w strukturze wielowarstwowej.
W przyszłości, jeśli w akumulatorach sodowo-jonowych zostaną zastosowane elektrody grafenowe zamiast obecnych anod grafitowych, możliwe będzie osiągnięcie większej pojemności magazynowej.
Wyniki tych badań mogą stanowić przełom w rozwoju niedrogich baterii sodowych. Krasheninkov powiedział, że praca ma charakter czysto teoretyczny i nie sugeruje opracowania nowej generacji baterii w dającej się przewidzieć przyszłości, opierając się wyłącznie na wynikach badań, ale może dostarczyć inżynierom ciekawych nowych pomysłów.
Baterie przyszłości
Perspektywy na przyszłość
Baterie przyszłości
Na szczęście akumulator sodowo-jonowy nie jest już tylko koncepcją teoretyczną. Przełom w powiązanych technologiach wydaje się być bliski.
Najnowsze odkrycia pokazują, że istnieją już praktyczne, niedrogie i oszczędne pod względem zasobów alternatywy dla drogich baterii litowych, a dzięki zastosowaniu struktur wielowarstwowych mogą one nawet poprawić ich wydajność.
Z pewnością minie trochę czasu, zanim technologia akumulatorów sodowo-jonowych będzie gotowa do masowej produkcji i zastosowania w pojazdach elektrycznych czy telefonach komórkowych. Jednak gdy nadejdzie odpowiedni moment, przejście z produkcji akumulatorów litowych na sodowo-jonowe nie powinno stanowić większego problemu, ponieważ technologia jest stosunkowo podobna.
