Technologické trendy
Sodík-iónová batéria: nový trend budúcnosti elektrických vozidiel
19 júla, 2021
Zdieľať:
Pozadie
Cena batérie elektromobilu
Prečo elektromobily potrebujú lepšie batérie
Elektromobily, najmä tie, ktoré na výrobu elektriny využívajú obnoviteľnú energiu, sa považujú za budúci model, ktorý pomôže chrániť globálnu klímu. Výrobcovia automobilov však už roky používajú v technológii batérií vzácny a relatívne drahý lítium, čo spomaľuje tempo masového prijímania elektromobilov na celom svete.
Hoci sú elektromobily, úžitkové vozidlá a elektrické bicykle v plnom prúde, ich používanie je stále obmedzené. Vysoké ceny, ťažkopádne nabíjacie zariadenia a proces výroby batérií, ktorý spotrebúva veľké množstvo surovín, brzdia rýchly rozvoj elektromobilov.
Aby boli elektrické vozidlá široko dostupné, výrobcovia automobilov musia zaviesť batérie, ktoré sú výkonnejšie, odolnejšie, udržateľnejšie a cenovo dostupnejšie.
Sodík namiesto lítia
Porovnanie materiálov
Sodík namiesto lítia
Sodíkovo-iónové batérie môžu byť schodnou možnosťou a nedávny vývoj v tejto oblasti je prekvapivo progresívny. V dohľadnej budúcnosti by sodíkovo-iónové batérie mohli nahradiť lítiové batérie používané v elektrických vozidlách, smartfónoch alebo notebookoch.
Lítium a sodík, dva alkalické kovy, majú veľmi podobné chemické vlastnosti. Hoci sodík má nižšiu energetickú hustotu v porovnaní so vzácnejším lítiom, sodík sa ľahšie získava a bude relatívne lacný.
Sľubné objavy
Pokrok prototypu
Sľubné prielomy
Výkon sodíkovo-iónových batérií stále zaostáva za lítiovými batériami približne o 20 rokov. Dôvodom je, že výskumníci sa v poslednom desaťročí zameriavali iba na vývoj lítiových batérií s vyšším výkonom.
Dnes existujú nielen prelomové vedecké publikácie, ale aj veľmi progresívne prototypy. Podľa správy publikovanej v máji prešla sodíkovo-iónová batéria vyvinutá v Južnej Kórei približne 500 cyklami plného nabitia, kým jej kapacita klesla na 80 percent pôvodnej kapacity.
Ďalšia batéria, vyvinutá americko-čínskym výskumným tímom, dokáže s rovnakou kapacitou zvládnuť približne 450 nabití. Čínska sodíkovo-iónová batéria má menšiu kapacitu, ale po 1200 12-minútových rýchlych nabitiach si stále udrží 70 % svojej kapacity.
Možno to neznie veľa, ale v praxi tieto batérie môžu vydržať vyšší počet nabíjaní, pretože sa po vybití v bežnom živote zvyčajne nedobíjajú. Úplné vybitie a opätovné nabitie batérie v experimente predstavuje jej väčšie opotrebenie.
Lítium ako kovový prvok je vzácnejší a drahší, ale väčšina súčasných technológií batérií používa lítiové batérie. Pôvodný obrázok zobrazuje krajiny s najväčšími zásobami lítia v roku 2019.
Okrem toho, technológia sodíkových iónov nevyžaduje použitie vzácnych zdrojov. Na výrobu katód nie sú potrebné vzácne lítiové soli, postačí kuchynská soľ. Vysokovýkonné anódy sa dajú vyrobiť z lignitu, dreva a inej biomasy. Kobalt ani podobné vzácne látky nie sú vo výrobnom procese potrebné.
Základný výskum
Grafén a sodíkové ióny
Prielom v základnom výskume?
Sodík má dve nevýhody: váži trikrát viac ako lítium, takže aj keď lítiové batérie obsahujú menej ako 5 % celkovej hmotnosti batérie, batéria s iónmi sodíka by stále vážila viac ako lítiová batéria.
Okrem toho je výkon sodíkových batérií slabší. Keďže sodíkové ióny prenášajú o 0,3 voltu menej ako lítiové batérie, dochádza k nevyhnutnej strate približne 10 % hustoty energie. A čo je najdôležitejšie, grafitové anódy súčasných batérií neumožňujú udržiavať dostatok sodíka.
Podľa správy publikovanej nemecko-ruskou pracovnou skupinou vedenou Helmholtzovým centrom pre vedecký výskum (HZDR) v Drážďanoch v Nemecku môže nanokarbón pomôcť tento problém zlepšiť. Správa uvádza, že použitie ultratenkého uhlíkového materiálu, dvojvrstvového grafénu, dokáže v anóde uložiť viac sodíkových iónov ako grafit.
Ak by sa grafénové elektródy mohli v budúcnosti inštalovať do lítiových batérií a nahradiť tak dnes bežne používané grafitové anódy, mohlo by byť možné výrazne zvýšiť kapacitu batérie.
Krašeninkov, fyzik z HZDR, to prirovnal k vloženiu malej guľôčky medzi dva listy papiera: ak medzi papier stále pridávate malé guľôčky, papier sa od seba bude viac odtlačovať a medzera medzi dvoma listami sa zväčší.
Kompatibilná technológia
Viacvrstvová štruktúra
Kompatibilná technológia?
Ak viacvrstvová štruktúra pre lítiové batérie funguje, platí aj pre iné alkalické kovy, ako je sodík? Tím pracovníkov z Drážďan, Stuttgartu a Moskvy dúfa, že to zistí pomocou sofistikovaných superpočítačových simulácií.
Keďže prototypy sodíkovo-iónových batérií doteraz nefungovali dobre, pretože sodík sa len ťažko dostane do grafitovej anódy, počítačové výpočty ukazujú, že sodík, rovnako ako lítium, môže byť vložený medzi vrstvy grafénu vo viacvrstvovej štruktúre.
Ak sa v budúcnosti do sodíkovo-iónových batérií namiesto dnešných grafitových anód nainštalujú grafénové elektródy, možno dosiahnuť vyššiu skladovaciu kapacitu.
Výsledky týchto štúdií by mohli znamenať prelom vo vývoji lacných sodíkových batérií. Krašeninkov uviedol, že práca je čisto teoretická a neobhajuje vývoj novej generácie batérií v dohľadnej budúcnosti len na základe výsledkov štúdie, ale môže inžinierom priniesť zaujímavé nové nápady.
Batérie budúcnosti
Výhľad do budúcnosti
Batérie budúcnosti
Našťastie, sodíkovo-iónová batéria už nie je len teoretickým konceptom. Zdá sa, že prielom v súvisiacich technológiách je na dosah ruky.
Najnovšie zistenia ukazujú, že už existujú praktické, cenovo dostupné a z hľadiska zdrojov efektívne alternatívy k drahým lítiovým batériám a dokonca môžu zlepšiť ich výkon vďaka viacvrstvovým štruktúram.
Určite potrvá nejaký čas, kým bude technológia sodíkovo-iónových batérií pripravená na masovú výrobu a použitie v elektrických vozidlách alebo mobilných telefónoch. Ale akonáhle ten čas dozreje, nemal by byť veľký problém s prechodom výrobnej linky z lítiových batérií na sodíkovo-iónové batérie, pretože technológia je relatívne podobná.
