Świat potrzebuje więcej energii, najlepiej w czystej i odnawialnej formie.Nasze strategie magazynowania energii są obecnie kształtowane przez akumulatory litowo-jonowe – będące w czołówce tej technologii – ale na co możemy się spodziewać w nadchodzących latach?
Zacznijmy od podstaw baterii.Akumulator to pakiet składający się z jednego lub więcej ogniw, z których każde posiada elektrodę dodatnią (katodę), elektrodę ujemną (anodę), separator i elektrolit.Stosowanie w tym celu różnych chemikaliów i materiałów wpływa na właściwości akumulatora – ile energii może przechowywać i wyprowadzać, ile energii może dostarczyć lub ile razy można go rozładowywać i ładować (zwane również pojemnością cykliczną).
Firmy produkujące baterie nieustannie eksperymentują, aby znaleźć chemikalia, które są tańsze, gęstsze, lżejsze i mocniejsze.Rozmawialiśmy z Patrickiem Bernardem – dyrektorem ds. badań firmy Saft, który wyjaśnił trzy nowe technologie akumulatorów o potencjale transformacyjnym.
BATERIE LITOWO-JONOWE NOWEJ GENERACJI
Co to jest?
W akumulatorach litowo-jonowych (li-ion) magazynowanie i uwalnianie energii jest zapewniane przez ruch jonów litu od dodatniej do ujemnej elektrody tam iz powrotem przez elektrolit.W tej technologii elektroda dodatnia działa jako początkowe źródło litu, a elektroda ujemna jako host dla litu.Pod nazwą akumulatorów litowo-jonowych zebrano kilka chemii, w wyniku dziesięcioleci selekcji i optymalizacji bliskiej doskonałości dodatnich i ujemnych materiałów aktywnych.Jako obecne materiały pozytywowe najczęściej stosuje się litowane tlenki metali lub fosforany.Jako materiały negatywowe stosuje się grafit, ale także grafit/krzem lub litowane tlenki tytanu.
Oczekuje się, że przy aktualnych projektach materiałów i ogniw technologia litowo-jonowa osiągnie limit energii w nadchodzących latach.Niemniej jednak bardzo niedawne odkrycia nowych rodzin destrukcyjnych materiałów aktywnych powinny odblokować obecne ograniczenia.Te innowacyjne związki mogą przechowywać więcej litu w elektrodach dodatnich i ujemnych i po raz pierwszy pozwolą na połączenie energii i mocy.Ponadto w przypadku tych nowych związków uwzględnia się również niedobór i krytyczność surowców.
Jakie są jego zalety?
Obecnie, spośród wszystkich najnowocześniejszych technologii przechowywania, technologia akumulatorów litowo-jonowych zapewnia najwyższy poziom gęstości energii.Wydajność, taką jak szybkie ładowanie lub zakres temperatur pracy (od -50°C do 125°C), można dostroić dzięki szerokiemu wyborowi konstrukcji i składu chemicznego ogniw.Ponadto akumulatory litowo-jonowe wykazują dodatkowe zalety, takie jak bardzo niski poziom samorozładowania oraz bardzo długa żywotność i cykle, zazwyczaj tysiące cykli ładowania/rozładowania.
Kiedy możemy się tego spodziewać?
Oczekuje się, że nowa generacja zaawansowanych akumulatorów litowo-jonowych zostanie wdrożona przed pierwszą generacją akumulatorów półprzewodnikowych.Będą idealne do zastosowania w aplikacjach takich jak systemy magazynowania energii dlaodnawialne źródła energiii transport (morski, szyny kolejowe,lotnictwoi mobilność poza drogami), gdzie wysoka energia, wysoka moc i bezpieczeństwo są obowiązkowe.
BATERIE LITOWO-SIARKOWE
Co to jest?
W akumulatorach litowo-jonowych jony litu są przechowywane w materiałach aktywnych działających jako stabilne struktury macierzyste podczas ładowania i rozładowania.W akumulatorach litowo-siarkowych (Li-S) nie ma struktur macierzystych.Podczas rozładowywania anoda litowa jest zużywana, a siarka przekształcana w różne związki chemiczne;podczas ładowania odbywa się proces odwrotny.
Jakie są jego zalety?
Akumulator Li-S wykorzystuje bardzo lekkie materiały aktywne: siarkę w elektrodzie dodatniej i metaliczny lit jako elektrodę ujemną.Dlatego jego teoretyczna gęstość energii jest niezwykle wysoka: cztery razy większa niż litowo-jonowa.To sprawia, że dobrze sprawdza się w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Firma Saft wybrała i faworyzowała najbardziej obiecującą technologię Li-S opartą na elektrolicie w stanie stałym.Ta ścieżka techniczna zapewnia bardzo wysoką gęstość energii, długą żywotność i przezwycięża główne wady Li-S na bazie cieczy (ograniczona żywotność, wysokie samorozładowanie, …).
Co więcej, technologia ta jest uzupełnieniem litowo-jonowego stanu stałego dzięki doskonałej grawimetrycznej gęstości energii (+30% w Wh/kg).
Kiedy możemy się tego spodziewać?
Główne bariery technologiczne zostały już pokonane, a poziom dojrzałości postępuje bardzo szybko w kierunku prototypów w pełnej skali.
W przypadku zastosowań wymagających długiej żywotności baterii oczekuje się, że technologia ta wejdzie na rynek zaraz po litowo-jonowym stanie półprzewodnikowym.
BATERIE PÓŁPRZEWODNIKOWE
Co to jest?
Baterie półprzewodnikowe reprezentują zmianę paradygmatu w zakresie technologii.W nowoczesnych akumulatorach litowo-jonowych jony przemieszczają się z jednej elektrody na drugą w ciekłym elektrolicie (zwanym również przewodnością jonową).W akumulatorach całkowicie półprzewodnikowych ciekły elektrolit jest zastępowany związkiem stałym, który mimo to umożliwia migrację w nim jonów litu.Ta koncepcja nie jest nowa, ale w ciągu ostatnich 10 lat – dzięki intensywnym światowym badaniom – odkryto nowe rodziny elektrolitów stałych o bardzo wysokiej przewodności jonowej, zbliżonej do elektrolitu ciekłego, pozwalającej na pokonanie tej szczególnej bariery technologicznej.
Dziś,SaftWysiłki badawczo-rozwojowe koncentrują się na 2 głównych rodzajach materiałów: polimerach i związkach nieorganicznych, dążąc do synergii właściwości fizykochemicznych, takich jak przetwarzalność, stabilność, przewodność…
Jakie są jego zalety?
Pierwszą ogromną zaletą jest wyraźna poprawa bezpieczeństwa na poziomie ogniw i akumulatorów: stałe elektrolity są niepalne po podgrzaniu, w przeciwieństwie do ich płynnych odpowiedników.Po drugie, pozwala na stosowanie innowacyjnych materiałów o dużej pojemności, wysokonapięciowych, co pozwala na uzyskanie gęstszych, lżejszych akumulatorów o dłuższym okresie przydatności do spożycia w wyniku zmniejszonego samorozładowania.Co więcej, na poziomie systemu przyniesie dodatkowe korzyści, takie jak uproszczona mechanika oraz zarządzanie temperaturą i bezpieczeństwem.
Ponieważ akumulatory mogą wykazywać wysoki stosunek mocy do masy, mogą być idealne do stosowania w pojazdach elektrycznych.
Kiedy możemy się tego spodziewać?
W miarę postępu technologicznego na rynku pojawi się prawdopodobnie kilka rodzajów baterii półprzewodnikowych.Pierwszym z nich będą akumulatory półprzewodnikowe z anodami na bazie grafitu, zapewniające lepszą wydajność energetyczną i bezpieczeństwo.Z czasem na rynku powinny stać się lżejsze technologie akumulatorów półprzewodnikowych wykorzystujące metaliczną anodę litową.
Czas publikacji: 03.08-2022