Идва ли революция при батериите през 2021? По-скоро не и е важно да знаем защо.

4
1195
Batteries with charge level indication - 3D rendering

Много хора си задават въпроса защо индустрията за разработка на батерии е в застой. Защо постоянно някой ни обещава нова революция, а после се оказва нещо друго? Краткият отговор е, че на ниво химия няма прогрес. Пробивът ще дойде от фундаментална промяна именно там.

„Основната концепция за това какво е батерия не се е променила от 18-ти век насам.“, казва проф. Томас Машмайер, химик от Университета на Сидни и един от основателите на Gelion Technology, компания за разработка на батерии, цитиран от The Register.

Какво представляват настоящите батерии?

Те се състоят от три изграждащи блока. Позитивен електрод, наречен катод; негативен електрод, наречен анод; електролит, който играе ролята на катализатор между двете страни. В момента тези три елемента не могат да се променят.

Във времето са предлагани много различни съставки, които да осигурят надскачането на литиево-йонните батерии

Мисленето е в две посоки. От една страна се търси по-висока енергийна плътност от тази, която предлага лития. Работи се в посока на твърдотелни, литиево-серни и литиево-въздушни батерии. От друга страна се разглежда използването на по-изобилни материали в неща като натриево-йонни, алуминиево-йонни и магнезиево-йонни батерии.

На теория се оказва лесно, но на практика не, според професор Яцек Ясиняк, професор по материалознание и инженерство в университета Монаш.

Той оприличава подмяната на елемент от батериите с подмяната на химикал в лекарство. Решението на един проблем често обостря друг.

Батериите генерират енергия след серия от химични реакции. При литиево-йонните батерии имаме анод от графит, катод от метал-оксид (кобалт, никел, желязо или алуминий) и литиева сол в органичен разтворител като електролит.

Когато имаме нужда от батерията, анодът реагира с лития в електролита и от това се появяват електрони. Те се натрупват около анода. При друга реакция в катода се привличат тези електрони, създавайки поток от електричество.

Това се нарича редукционно-окислителен процес

При еднократните батерии, това трябва да работи само в една посока. Когато всички електрони отидат от едната до другата страна, батерията умира и ние я сменяме. Когато обаче искаме батерията да може да се презарежда, което е много важно за целите на човечеството, тези електрони трябва да могат да се върнат обратно.

При литиево-йонните батерии това се случва и една батерия може да издържи на хиляди цикли, преди да започне процес на деградация.

Ако вземем за пример магнезиево-йонните батерии, нещата се случват по различен начин

Имаме същата плътност. Магнезият е по-лесен за добиване. Но батериите не се получават. Въпросната химична реакция не работи. Не работи при натрий, алуминий или нещо друг.

„При литиево-йонните батерии, литият се дифузира и се стабилизира в графитния анод чрез процес, наречен интеркалация. Но магнезият не може да се дифузира по същия начин.“, обяснява професор Ясиняк.

В случая с магнезиево-йонните батерии, това значи най-вече, че те не могат да съхраняват много енергия, освен че са по-малко дълготрайни. Има и други подобни химични проблеми. При литиево-въздушните батерии имаме висока енергийна плътност, но нямаме стабилност. При натриево-йонните батерии имаме толкова ниска плътност, че са безполезни дори за дребна потребителска електроника.

Литиево-серните батерии предложиха надежда

При тях се обещава до пет пъти по-голяма енергийна плътност, в сравнение с литиево-йонните. И в действителност се получава. При циклите зареждане-разреждане обаче се появява проблем с реакцията между лития и сярата. Създава се литиев полисулфид, който е толкова разтворим, че се дифузира в електролита и може да премине мембраната, която разделя анода и катода. Вместо редокс реакцията, която човек иска от батерията, литиевият полисулфид образува покритие върху анода, пасивирайки го и бързо намалявайки капацитета му, докато в крайна сметка спре да работи.

Все още не се открива комерсиално изгоден начин това да се заобиколи. Точката, до която са стигнали разработките е такава, че този тип батерии към момента предлагат около една пета от живота на литиево-йонните батерии.

Как стоят нещата с твърдотелните батерии?

За тях чуваме най-вече около електрическите автомобили. Там идеята е да заменим течния литиев електролит с метален литий. Това трябва да увеличи плътността, да смали размера на батерията и по този начин да увеличи капацитета. Освен това, така батериите биха били по-безопасни, защото металният литий не е толкова запалим като течния.

Тук проблема е да накараш електроните да преминат през твърд електролит. Доста компании заобикалят тази пречка като използват високи температури и атмосферно налягане. За сега обаче крайният резултат е прекалено скъп. Най-напред в нещата е компанията Toyota.

Проблемът с производството

Джийн Бердичевски, бивш инженер на акумулатори за Tesla и главен изпълнителен директор на стартъпа за батерии Sila Nanotechnology, посочва че проблемите не се ограничават до измислянето на батериите.

За тяхното производство няма да е възможно да се използват настоящите фабрики и технологии, които са се развивали в последните 30 години. Производството ще трябва да се изгради от нулата. Ще трябват милиарди първоначална инвестиция, а цената на литиево-йонните батерии върви надолу.

През 1994, цената за изработка на 18650 литиево-йонна клетка е над $10 за всеки 1100mAh. През 2001 година тази цена е $3 за 1900mAh. Днес тези клетки могат да доставят над 3000mAh и цените продължават да падат.

Сам Джафе от Cairn ERA, екип за изследване на батерии, смята, че революцията няма да се случи в следващото десетилетия. Дава пример с това, че на литиево-йонните батерии им трябват 15 години да се превърнат от високо специализиран продукт до нещо масово. В тази индустрия прогресът се случва инч по инч, а не на големи скокове. И не изглежда това да се промени в близко бъдеще.

3 4 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
4 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари