Tendințe tehnologice
Baterie sodiu-ion: noua tendință a viitorului vehiculelor electrice
iulie 19, 2021
Distribuie:
Fundal
Costul bateriei vehiculului electric
De ce vehiculele electrice au nevoie de baterii mai bune
Vehiculele electrice, în special cele care utilizează energie regenerabilă pentru a genera electricitate, sunt văzute ca modelul viitorului care va contribui la protejarea climei la nivel global. Însă, de ani de zile, producătorii de automobile au folosit litiu, o substanță rară și relativ scumpă, în tehnologia bateriilor, încetinind ritmul adoptării în masă a vehiculelor electrice la nivel mondial.
Deși mașinile electrice, vehiculele comerciale și bicicletele electrice sunt în plină desfășurare, utilizarea lor este încă limitată. Prețurile ridicate, instalațiile de încărcare greoaie și un proces de producție a bateriilor care consumă cantități mari de materii prime împiedică dezvoltarea rapidă a vehiculelor electrice.
Pentru a face vehiculele electrice disponibile pe scară largă, producătorii de automobile trebuie să introducă baterii mai puternice, mai durabile, mai sustenabile și mai accesibile.
Sodiu în loc de litiu
Compararea materialelor
Sodiu în loc de litiu
Bateriile sodiu-ion ar putea fi o opțiune viabilă, iar evoluțiile recente în domeniul bateriilor sodiu-ion au fost surprinzător de progresive. În viitorul apropiat, bateriile sodiu-ion ar putea înlocui bateriile cu litiu utilizate în vehiculele electrice, smartphone-uri sau laptopuri.
Litiul și sodiul, două metale alcaline, au proprietăți chimice foarte similare. Deși sodiul are o densitate energetică mai mică în comparație cu litiul, care este mai rar, sodiul este mai ușor de obținut și va fi relativ ieftin.
Descoperiri promițătoare
Progresul prototipului
Descoperiri promițătoare
Performanța bateriilor sodiu-ion este încă cu aproximativ 20 de ani în urma bateriilor cu litiu. Motivul este că cercetătorii din ultimul deceniu s-au concentrat doar pe dezvoltarea performanței mai puternice a litiului.
Astăzi, există nu doar publicații științifice inovatoare, ci și prototipuri foarte inovatoare. Conform unui raport publicat în luna mai, o baterie sodiu-ion dezvoltată în Coreea de Sud a trecut prin aproximativ 500 de cicluri de încărcare completă înainte ca capacitatea sa să scadă la 80% din capacitatea inițială.
O altă baterie, dezvoltată de o echipă de cercetare americană și chineză, poate efectua aproximativ 450 de reîncărcări pentru aceeași capacitate. O baterie sodiu-ion fabricată în China are o capacitate mai mică, dar după 1200 de încărcări rapide de 12 minute, are încă 70% din capacitatea bateriei.
Poate că nu pare mult, dar în practică aceste baterii pot rezista la un număr mai mare de reîncărcări, deoarece de obicei nu sunt reîncărcate după ce sunt descărcate în viața de zi cu zi. Descărcarea și reîncărcarea completă a bateriei în cadrul experimentului uzează și mai mult bateria.
Elementul metalic litiu este mai rar și mai scump, dar majoritatea tehnologiilor actuale de baterii utilizează baterii cu litiu. Figura originală arată primele țări în ceea ce privește rezervele de litiu în 2019.
În plus, tehnologia ionilor de sodiu nu necesită utilizarea unor resurse limitate. Sărurile rare de litiu nu sunt necesare pentru fabricarea catozilor, deoarece sarea de masă este suficientă. Anozii de înaltă performanță pot fi fabricați din lignit, lemn și alte biomasă. Cobaltul sau substanțele rare similare nu sunt necesare în procesul de producție.
Cercetare fundamentală
Grafen și ioni de sodiu
O descoperire în cercetarea fundamentală?
Sodiul are două dezavantaje: cântărește de trei ori mai mult decât litiul, așa că, chiar dacă bateriile cu litiu conțin mai puțin de 5% din greutatea totală a bateriei, o baterie cu ioni de sodiu ar cântări totuși mai mult decât o baterie cu litiu.
În plus, performanța bateriilor cu sodiu este mai slabă. Deoarece ionii de sodiu transportă cu 0,3 volți mai puțin decât bateriile cu litiu, există o pierdere inevitabilă de aproximativ 10% din densitatea energiei. Cel mai important, anozii de grafit ai bateriilor actuale nu permit reținerea unei cantități suficiente de sodiu.
Conform unui raport publicat de un grup de lucru germano-rus condus de Centrul Helmholtz pentru Cercetare Științifică (HZDR) din Dresda, Germania, nanocarbonul poate contribui la ameliorarea acestei probleme. Raportul menționează că utilizarea unui material ultra-subțire din carbon, grafenul bistratificat, poate stoca mai mulți ioni de sodiu în anod decât grafitul.
Dacă electrozii de grafen vor putea fi instalați în viitor în bateriile cu litiu, înlocuind anozii de grafit utilizați în mod obișnuit în prezent, ar putea fi posibilă creșterea semnificativă a capacității bateriei.
Krasheninkov, fizician la HZDR, a comparat acest lucru cu plasarea unei bile mici între două coli de hârtie: dacă adaugi în continuare bile mici între hârtie, hârtia va fi împinsă și mai departe, iar spațiul dintre cele două coli va crește.
Tehnologie compatibilă
Structură multistrat
O tehnologie compatibilă?
Dacă o structură multistrat pentru bateriile cu litiu funcționează, se aplică și altor metale alcaline, cum ar fi sodiul? O echipă de cercetători din Dresda, Stuttgart și Moscova speră să afle acest lucru folosind simulări sofisticate pe supercomputer.
Deoarece prototipurile bateriilor cu ioni de sodiu nu au funcționat bine până acum, deoarece sodiul abia poate pătrunde în anodul de grafit, calculele pe computer arată că sodiul, la fel ca litiul, poate fi încorporat între straturile de grafen într-o structură multistrat.
În viitor, dacă electrozii de grafen vor fi instalați în bateriile cu ioni de sodiu în locul anozilor de grafit din prezent, s-ar putea obține o capacitate de stocare mai mare.
Rezultatele acestor studii ar putea reprezenta un progres în dezvoltarea bateriilor de sodiu ieftine. Krasheninkov a declarat că lucrarea este pur teoretică și nu pledează pentru dezvoltarea unei noi generații de baterii în viitorul apropiat, bazată doar pe rezultatele studiului, dar ar putea oferi idei noi și interesante pentru ingineri.
Bateriile viitorului
Perspective de viitor
Bateriile viitorului
Din fericire, bateria sodiu-ion nu mai este doar un concept teoretic. O descoperire importantă în tehnologiile conexe pare a fi aproape.
Cele mai recente descoperiri arată că există deja alternative practice, accesibile și eficiente din punct de vedere al resurselor la bateriile cu litiu scumpe și că acestea ar putea chiar să le îmbunătățească performanța prin structuri multistrat.
Cu siguranță va dura ceva timp până când tehnologia bateriilor sodiu-ion va fi gata pentru producția în masă și utilizarea în vehiculele electrice sau telefoanele mobile. Dar odată ce momentul va veni, nu ar trebui să existe prea multe probleme în trecerea liniei de producție de la bateriile litiu la bateriile sodiu-ion, deoarece tehnologia este relativ similară.
