A jövő fényes a lítium-ion akkumulátorok számára

Szinte minden ma forgalmazott okostelefonon, laptopon és táblagépen működnek világszerte. Szerepük valószínűleg még fontosabb lesz a jövőben, mivel az elektromos járművek (EV) még mindig feltörekvő piacok. Az ilyen járművek - nemcsak elektromos autók, hanem elektromos motorkerékpárok, buszok vagy teherautók is - leváltják a hagyományos benzines és dízel üzemanyagot, tovább növelve a nagy sűrűségű lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok iránti keresletet.

Az akkumulátorok kihasználatlanok az energiaellátó rendszerekben is, különösen a fotovoltaikával és a szélenergiával kombinálva, ahol nagymértékben csökkentik a szén-dioxid-kibocsátást. A Li-ion technológia mindannyiunk életét megérintette. Ezt az eredményt John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino munkája tette elérhetővé. Úttörő munkájukat a Svéd Királyi Tudományos Akadémia ismerte el, és 2019-ben kémiai Nobel-díjat adományozott nekik „a lítium-ion akkumulátorok kifejlesztéséért”. A jövő fényesnek tűnik a lítium-ion energiatárolás szempontjából, de mire számíthatunk?

Az elektromos autók piaca 567 milliárd dollárra nő 2025-re

Miért olyan lenyűgöző energiatároló eszközök a Li-ion akkumulátorok?

A Li-ion akkumulátor (LIA) hasonlóan működik, mint a többi akkumulátor. A fő különbség azonban az, hogy az elektródákat nem befolyásolják olyan erősen a kémiai reakciók. A Li-ionok a negatív anódról a pozitív katódra áramlanak lemerülés közben, és fordítva, amikor feltöltődnek.

A fő ok, amiért a LIA-k annyira népszerűek, lenyűgöző energiasűrűségüknek köszönhetők (100-265 Wh/kg vagy 250-670 Wh/l, attól függően, hogy az elektródák hány egységnyi felületen tarthatnak lítiumionokat). Ez lehetővé teszi a mobileszközök számára, hogy nagyon kis helyről merítsék energiájukat. A LIA-k rövid töltési időt kínálnak, és számos lemerítési ciklust kibírnak mielőtt tönkremennek, összehasonlítva más akkumulátor-technológiákkal, mint például a nikkel-kadmium vagy a nikkel-metál hibrid.

A LIA-k fő hiányossága a biztonság. A LIA-k hajlamosak túlmelegedni, és javíthatatlanul károsodhatnak túlfeszültség esetén. Szélsőséges esetekben a lítium-ionos energiaellátó rendszerek akár el is éghetnek, amint azt a Galaxy Note 7 okostelefonnál tapasztalták, amelynek akkumulátorhibája miatt egyes telefonok kigyulladtak. Hasonló probléma okozta a Boeing 787 -es flotta leszállását. Manapság a gyártóknak olyan kifinomult biztonsági megoldásokat kell bevezetniük, amelyek korlátozzák a feszültséget, a hőmérsékletet és a belső nyomást.

A Li-Ion energiatárolás jövője

A lítium-ion akkumulátorok legnagyobb piaca hagyományosan a hordozható elektronikai eszközök, de a szállításban a LIA-k iránti kereslet is nagymértékben növekszik. Mivel az elektromos járművek azon az úton haladnak, amely árban és távolságtartományban megegyezik a hagyományos autókéval, lehet, hogy csak idő kérdése, hogy a közúti közlekedés nagy része vagy egésze elektromos lesz - természetesen a LIA-k által. Ma nem ritka, hogy egy EV 360-450 kilométert tesz meg egy töltéssel. Az energiasűrűség javulásával az autó autonómiája nőni fog, így az elektromos járművek életképesebbek lesznek.

A gyors töltés egy másik kulcsfontosságú szempont. Dr. Chao-Yang Wang, a Pennsylvaniai Állami Egyetem professzora és munkatársai speciális beállítással 10 perc alatt 80% -ra feltöltötték a LIA-t anélkül, hogy károsítaná azt. „A 10 perces tendencia a jövőbe néz, és elengedhetetlen az elektromos járművek elfogadásához, mert megoldja a hatótávolság problémáját” - mondta Wang sajtóközleményében.

A LIA-k hatása a szállításban magában foglalja az űrhajózási alkalmazásokat is, a drónoktól a műholdakig. Az izraeli Eviation cég egy teljesen elektromos repülőgép prototípusán dolgozik, amely kilenc utast képes majd kb. 1000 km távolságra 3000 m-en és 440 km/h sebességgel - teljesen akkumulátorról működve.

A LIA-k alapvető fontosságúnak bizonyulnak az éghajlatváltozás kezelésében is, mivel megújuló energiával látják el a járműveket és háztartásainkat. A megújuló energia a környezeti tényezőktől függ. A napelemek nem termelnek energiát éjszaka, és a turbinák sem gyenge szélben. A verseny jelenleg a kutatók között van, hogy megtalálják a legoptimálisabb és legköltséghatékonyabb megoldást az energia tárolására annak érdekében, hogy az ár versenyképes legyen a fosszilis erőművekkel.

Már az új, Kínában, az Egyesült Államokban, Thaiföldön és máshol gyártott akkumulátorok óriási mértékben csökkentették az árakat. 2010 óta 85%-ot estek. Ha ez a tendencia folytatódik, lehetséges, hogy a jövő villamosenergia-hálózatát nagyrészt a Li-ion akkumulátorokon alapuló energiatároló rendszerek biztosítják. A LIA-k növelhetik az energia decentralizációját, mivel egyre többen használnak energiatároló rendszereket a tetőtéri napelemmel együtt.

Ahol szükség van technológiára, ott áramigény keletkezik. Ez magában foglalja a miniatűr elektromos eszközök világát is. Jelentős előrelépések történtek a LIA-k integrálásában olyan miniatürizált orvosi eszközökben, mint a hallókészülékek vagy a kis teljesítményű, beültethető eszközök, amelyeket glükózérzékelésre, neurostimulációra, gyógyszerek szállítására és egyebekre használnak.

Véges erőforrás

A lítium-ion akkumulátorok óriási potenciállal rendelkeznek ahhoz, hogy világszerte 100%-ban a megújuló jövő felé haladjanak.

Az ilyen átmenetet azonban felelősséggel kell elvégezni. A lítiumot néha „fehér kőolajnak” is nevezik, rábólintva arra, hogy ez egy véges erőforrás, amely jelentős környezeti hatással jár. Ha a LiA-t és más ritkaföldfémeket rossz gazdálkodási módszerekkel bányásznak, az jelentős széndioxid kibocsátást és tartós környezeti hatást eredményezhet. 2025 -re a lítium iránti kereslet várhatóan 1,3 millió tonna LCE-re (lithium carbonate equivalent) emelkedik - ez több mint háromszorosa a mai szintnek.

E cél érdekében fontos minimalizálni a kobaltfüggőségünket, bevezetni az akkumulátorgyűjtési és újrafeldolgozási rendszereket, kihasználni az új koncepciókat, például a használt akkumulátorokat, hogy kihasználják az akkumulátor élettartamát, mielőtt elérik az újrafeldolgozó üzemet.

Ma a Li-ion akkumulátorok már általánosak, és nagy üzletet jelentenek. A jövőben azonban minden előrejelzés azt sugallja, hogy a technológia csak egy irányba halad. Például MIT Still-Ming-Chiang állítása szerint az USA-ban háromszor annyi tudós dolgozik az akkumulátor kutatásban, mint tíz évvel ezelőtt. Mivel ezek a kutatók azon dolgoznak, hogy megoldják a LIA-ek legnagyobb korlátait, az innovációnak meg kell történnie. Talán a LIA-k legjobb felhasználása még mindig valahol egy laboratóriumban ülve várja a felfedezést.

.