Mēs uztveram lielu daļu no mums apkārt esošajām tehnoloģijām kā pašsaprotamu. Piemēram, mikrodatori telefoniem, kas strādā bez uzlādēšanas visu dienu. Bet es gribu, lai tālrunis strādātu 3-4 dienas bez uzlādēšanas. Vai arī elektromobilis, kas var nobraukt 1000 kilometrus, uzlādēties dažu minūšu laikā... un maksā mazāk nekā automašīna ar benzīna dzinēju. Gadu gaitā ir daudz runāts par cietvielu akumulatoriem, bet kā viss notiek tagad? Un cik daudz vēl mums jāgaida līdz cietvielu baterijas nonākt mūsu ierīcēs?
Jaunākais piemērs ir Toyota, kas ziemas olimpisko spēļu laikā paziņoja par cietvielu akumulatoru automašīnu. Litija jonu akumulatoriem, kurus mēs šodien izmantojam, lai cik lieli tie būtu, ir daži trūkumi, kurus mēģina atrisināt cietvielu akumulatori.
Kas viņiem kopīgs?
Abi veidi izmanto litiju elektroenerģijas ražošanai, un to vispārējā struktūra ir diezgan līdzīga. Vienkārši sakot, tiem ir anods (negatīvs elektrods), katods (pozitīvs elektrods) un elektrolīts.
To galvenā atšķirība ir elektrolīta stāvoklī, kas palīdz pārnest jonus no katoda uz anodu uzlādes laikā un otrādi izlādes laikā. Citiem vārdiem sakot, elektrolīts regulē elektriskās strāvas plūsmu starp akumulatora negatīvo un pozitīvo pusi. Litija jonu akumulatoros izmanto šķidros elektrolītus, savukārt cietvielu akumulatoros, kā norāda to nosaukums, tiek izmantoti plāni cieta elektrolīta slāņi.
Kāpēc tas ir svarīgi?
Cietajiem elektrolītiem ir vairākas būtiskas priekšrocības:
- Drošība: lppskābie elektrolīti nepastāvīgs un viegli uzliesmo augstā temperatūrā. Atšķirībā no tiem cietie elektrolīti ir stabilāki un samazina aizdegšanās vai sprādziena risku.
- Augstāks enerģijas blīvums un ātrāks uzlādes laiks: lpppalielināta stabilitāte nozīmē, ka cietvielu akumulatori var uzglabāt par 50% vairāk enerģijas nekā to litija jonu kolēģi, savukārt paredzams, ka tie sasniegs 80% uzlādes līmeni 12 minūšu laikā.
Kreisajā pusē mēs redzam litija jonu akumulatora struktūru, bet labajā pusē - cietvielu akumulatora struktūru.
3. Vieglāks svars un izmērs: lai gan litija jonu akumulatoru iekšpusē esošais šķidrums padara tos smagākus, cietvielu akumulatoru kompaktā struktūra nodrošina lielāku enerģijas blīvumu uz laukuma vienību, kas nozīmē, ka nepieciešams mazāk bateriju.
Vai cietvielu baterijas aizstās litija jonu baterijas?
Teorētiski jā, vai vismaz tas ir tas, kur lietas virzās. Patiesībā daudzi autoražotāji jau investē šajā tehnoloģijā, tostarp Volkswagen, Toyota, Ford un BMW. Tomēr praksē cietvielu bateriju šūnas tiek ražotas pa vienai laboratorijās un lai tās nonāktu masveida ražošanā - dārgs un joprojām nepietiekami izstrādāts uzdevums.
Ir grūti izveidot cietu elektrolītu, kas būtu gan stabils, gan ķīmiski inerts, gan labs jonu vadītājs starp elektrodiem. Turklāt elektrolītu ražošana ir pārāk dārga, un tie ir pakļauti plaisāšanai to trausluma dēļ, kad tie lietošanas laikā tiek paplašināti un saspiesti. Bet varbūt, kad litija jonu akumulatori pakāpeniski kļūs pieejamāki, tas notiks.
Kādi pētījumi jau ir veikti?
Pēdējos gados ir veikti daudzi interesanti pētījumi, kuru mērķis bija atrisināt šo problēmu. MIT pētnieki ir izstrādājuši tā sauktos jauktos jonu-elektronu vadītājus (MIEC), kā arī elektroniskos un litija jonu izolatorus (ELI). Tā ir trīsdimensiju šūnu arhitektūra ar nanomēroga MIEC caurulēm. Caurules ir piepildītas ar litiju, kas veido anodu. Galvenā šī atklājuma daļa ir tāda, ka šūnu struktūra ļauj litijam izplesties un sarauties uzlādes un izlādes laikā. Šī akumulatora "elpošana" novērš plaisas. ELI cauruļu pārklājums darbojas kā barjera, pasargājot tās no cietā elektrolīta. Šī ir cietvielu akumulatora struktūra, kas pasargā mūs no nepieciešamības pievienot jebkādu šķidrumu vai želeju un tādējādi ļauj izvairīties no dendritiem.
Zvanīja kompānija Jonu uzglabāšanas sistēmas izstrādāja īpaši plānu keramisko elektrolītu, kura biezums ir aptuveni 10 mikrometri, apmēram tikpat biezs kā mūsdienu plastmasas separatori, kuros izmanto šķidros elektrolītus. Katra keramikas elektrolīta puse ir pārklāta ar īpaši plānu alumīnija oksīda slāni, kas palīdz samazināt pretestību. Akumulatora prototipa enerģijas jauda ir aptuveni 300 Wh/kg, un to var uzlādēt 5-10 minūtēs. Salīdzinājumam: mūsdienu NCA akumulatori sasniedz aptuveni 250 Wh/kg enerģijas jaudu.
Izstādē CES šogad Mecedes demonstrēja no videi draudzīgiem materiāliem izgatavoto konceptauto AVTR, kuram ir arī pilnībā pārstrādājams akumulators. Intervijā Mercedes vecākais akumulatoru izpētes vadītājs Andreass Hintennahs norādīja, ka akumulatoru tehnoloģijai pašlaik tiek veiktas laboratorijas pārbaudes un tās būs gatavas pēc 10-15 gadiem. CATL (Teslas ķīniešu akumulatoru partneris) ir arī izstrādājis cietvielu akumulatora paraugu, taču viņi ziņoja, ka tas tirgū nonāks tikai 2030. gadā.
Paredzama nepārtraukta cietvielu bateriju ražošana tiks salabots no 2025. gada, taču sākotnēji ne autobūves nozarē.
Lasi arī: