Miért nem vezet már mindenki elektromos autót? Mivel az akkumulátoraik drágák, egy elektromos autó kezdeti költsége jóval magasabb, mint egy hasonló benzinüzemű modellé. És ha nem sokat közlekedik, a benzin megtakarítása nem kompenzálja a magas vételárat.

Hasonlóképpen, a jelenlegi akkumulátorok nem biztosítanak elegendő energiasűrűséget a kereskedelmi repülőgépek felhasználásához. Ehhez komoly áttörésre van szükségünk az akkumulátor-technológiában. Bár az első akkumulátort 1799-ben találták ki, a tudósok több mint két évszázados alapos tanulmányozás után is még mindig nem értenek sokat abból, ami pontosan történik ezekben az eszközökben. De tudjuk, hogy alapvetően három kérdést kell megoldani ahhoz, hogy az elemek valóban megváltoztassák az életünket: a teljesítmény, az energia és a biztonság.

A lítium-ion akkumulátor nem alkalmas minden méretű eszközhöz
Minden elemnek két elektródája van: egy katód és egy anód. A lítium-ion akkumulátorok legtöbb anódja grafitból készül, de a katódok különböző anyagokból készülnek, attól függően, hogy mire használják az akkumulátort. A képen látható, hogy a különböző katódanyagok hat méretben hogyan változtatják meg a különböző típusú akkumulátorok teljesítményét.

lehet

Az energia problémája
Az akkumulátorok esetében fontos különbséget tenni az energia és az energia között. Az energia valójában az energia felszabadulásának sebessége. Annak az akkumulátornak, amely elég erős ahhoz, hogy a repülőgép felszállhasson és 1000 km távolságban a levegőben tartsa, sok energiával kell rendelkeznie, és nagyon rövid idő alatt képesnek kell lennie arra, hogy felszabadítsa, különösen felszállás közben. Az energia problémájának megoldásához meg kell vizsgálni a kereskedelmi elemeket. Az új akkumulátortechnológiák gyakran túlzott zűrzavart okoznak, mert a legtöbb ember nincs tisztában a részletekkel.

A legfejlettebb vegyi elem ma a lítium-ion. A legtöbb szakértő egyetért abban, hogy egyetlen más vegyi elem sem fogja kiszorítani további tíz évig. A lítium-ion akkumulátor két elektródával (katóddal és anóddal) rendelkezik, amelyek szeparátorral rendelkeznek (olyan anyag, amely ionokat vezet, de nem elektronokat, és amelyek célja a rövidzárlatok megakadályozása), közöttük elektrolit (általában folyékony), amely lehetővé teszi a lítiumionok áramlását vissza az elektródák közé. Az akkumulátor töltése közben az ionok katódról anódra mozognak; amikor valamit akkumulátor működtet, az ionok ellentétes irányban mozognak.

Képzeljen el két szeletelt kenyeret, mindegyikben elektród van: a bal oldali egy katód, a jobb pedig anód. Tegyük fel, hogy a katód nikkel-, mangán- és kobalt (NMC) ostyákból áll, az anód pedig grafitból áll, amelyek lényegében szénatomrétegek. Lemerült állapotban (az energia kimerülése után) az NMC cipóban lítiumionok vannak behelyezve minden szelet közé. Az akkumulátor feltöltésekor az összes lítiumion kihúzódik a lapátokból, és kénytelen átengedni a folyékony elektrolitot. A szeparátor ellenőrző pontként működik, amely biztosítja, hogy csak a lítiumionok kerüljenek a grafitos cipóba.

Ha az akkumulátor teljesen fel van töltve, az elem katód cipóján nincsenek lítiumionok; mindet elegánsan elhelyezzük a grafitkenyér szeletei között. Az akkumulátor energiafogyasztása után a lítiumionok visszatérnek a katódba. Az akkumulátor kapacitását lényegében az határozza meg, hogy ez a folyamat milyen gyorsan megy végbe. Nos, nem olyan könnyű növelni a sebességét. A katódos cipóból történő lítiumionok gyors kimerülése miatt az ostyák meghibásodhatnak és végül széteshetnek. Ez az egyik oka annak, hogy az akkumulátor leromlik az okostelefon, laptop vagy elektromos autó hosszantartó használata után. Minden töltés és kisütés hatására a cipó kissé meggyengül.

Különböző vállalatok dolgoznak a probléma megoldásán. Az egyik ötlet az, hogy a réteges elektródákat szerkezetileg erősebbre cseréljük. Például a svájci Leclanché olyan technológián dolgozik, amely az "olivin" szerkezetű lítium-vas-foszfátot használja katódként és anódjaként a "spinell" szerkezetű titán-lítium-oxidot. Ezek a struktúrák jobban kezelik a lítiumionok áramlását. A Leclanché jelenleg önálló raktári targoncákban használja akkumulátorcelláit, amelyek kilenc perc alatt 100% -ban feltölthetők. Összehasonlításképpen: a legjobb kompresszor 50 perc alatt képes feltölteni a Tesla elektromos autót.

Amint azt a Leclanché példája mutatja, az akkumulátoros vegyszerekkel teljesítményük növelése érdekében lehet játszani. Ennek ellenére még senki nem készített olyan akkumulátort, amely elég nagy ahhoz, hogy gyorsan biztosítsa a kereskedelmi repülőgéphez szükséges energiát. A startupok megpróbálnak olyan kisebb repülőgépeket építeni (legfeljebb 12 fő befogadására képesek), amelyek viszonylag alacsonyabb energiafogyasztású akkumulátorokkal tudnak repülni, vagy elektromos hibrid repülőgépeken dolgoznak, ahol az üzemanyag a felszállás során elvégzi a nehéz munkát, az akkumulátorok pedig A repülés. Egyetlen vállalat sem áll azonban közel a technológiájának kereskedelmi forgalomba hozatalához.

A Tesla Model 3 elektromos autó, a vállalat legolcsóbb járműve, 35 000 dollárnál kezdődik. 50 kWh akkumulátort tartalmaz, amelynek ára 8750 dollár, ami a jármű árának 25% -a. Ugyanakkor már alacsony árnak is tekinthető. A Bloomberg szerint a lítium-ion akkumulátorok átlagos globális költsége 2018-ban körülbelül 175 dollár volt kWh-nál, de 2010-ben csaknem 1200 dollár volt kWh-nál. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint, amikor az akkumulátorok költsége 125 USD/kWh alá csökken, az elektromos járművek birtoklása és üzemeltetése olcsóbb lesz, mint egy benzinautó.

Ennek egyik módja az akkumulátorok energiasűrűségének növelése - így több kWh kerül az akkumulátorba az ár csökkentése nélkül. Kémiai akkumulátor esetében ezt elméletileg úgy lehet elérni, hogy növeljük a katód vagy az anód, vagy mindkettő energiasűrűségét. A legnagyobb energiasűrűségű katód, amely kereskedelmi forgalomban van, az NMC 811 (a számok a nikkel, a mangán és a kobalt arányát jelzik a keverékben). Legnagyobb problémája, hogy csak viszonylag kis számú töltési és kisütési ciklust képes kibírni, mielőtt leállna.

Szakértők azonban azt jósolják, hogy az NMC 811 problémáit a következő öt évben meg kell oldani. Amikor ez megtörténik, az NMC 811-et használó akkumulátorok energia-sűrűsége nagyobb lesz, legalább 10 százalékkal. A 10% -os növekedés azonban nem olyan nagy siker. Noha az újítások az elmúlt évtizedekben magasabbra növelték a katódok energiasűrűségét, az energiasűrűség növelésének legnagyobb lehetősége az anód oldalon rejlik. A grafit továbbra is a domináns anódanyag marad. Olcsó, megbízható és viszonylag energiasűrű a jelenlegi katódanyagokhoz képest. De meglehetősen gyenge a többi potenciális anódanyaghoz, például a szilíciumhoz és a lítiumhoz képest. Például a szilícium elméletileg sokkal jobban képes felszívni a lítiumionokat, mint a grafit. Ezért néhány vállalat szilíciumot próbál hozzáadni a grafit anódtervéhez.

Nagyobb előrelépés lenne a kereskedelemben életképes, kizárólag szilíciumból készült anód kifejlesztése. De ennek az elemnek néhány jellemzője megnehezíti. Amikor a grafit elnyeli a lítiumionokat, térfogata nem sokat változik. De amikor egy szilíciumanód igen, akkor az eredeti térfogatának négyszeresére nő. Sajnos a ház bővítése nem lehetséges ilyen térfogatnövekedés befogadására, mert a bővítés megzavarja az ún. szilárd elektrolit interfázis (SEI). A SEI egyfajta védőrétegként képzelhető el, amelyet az anód hoz létre, ahogy a vas is rozsdát (vas-oxidot) képez, hogy megvédje magát az elemektől. Amikor egy darab újonnan kovácsolt vasat kint hagy, az lassan reagál a levegőben lévő oxigénnel és rozsdásodik. A rozsdaréteg alatt a vas többi része nem szenved és így megőrzi szerkezeti integritását.

Az első akkumulátor töltés végén az elektróda kialakítja saját "rozsdarétegét" - SEI -, amely elválasztja az elektród nem erodált részét az elektrolittól. A SEI leállítja a további kémiai reakciókat és biztosítja, hogy a lítiumionok a lehető legegyenletesebben áramolhassanak. A szilíciumanóddal azonban a SEI minden alkalommal lebomlik, amikor az akkumulátort valamilyen energiára használják. Minden töltési ciklus alatt egy kis szilícium fogy, míg végül az akkumulátor leáll. Az elmúlt években a Szilícium-völgyből számos startup dolgozott ezen a kérdésen. Például a Silo Nano a szilícium atomokat egy nanoméretbe akarja kapszulázni, benne üres térrel. Így a SEI a héj külsején képződik, és a szilíciumatomok tágulása belül zajlik, anélkül, hogy minden egyes töltési és kisülési ciklus után megzavarná a SEI-t. A vállalat szerint technológiája már 2020-ban készen áll a berendezések áramellátására.

Az Enovix pedig egy speciális gyártási technikát alkalmaz, amely óriási fizikai nyomást gyakorol a szilícium-anódra, kevesebb lítiumion felszívására kényszerítve, korlátozva annak tágulását és megakadályozva az SEI megszakadását. A vállalat, amelybe mind az Intel, mind a Qualcomm befektetett, arra számít, hogy akkumulátorai 2020-ig megjelennek az eszközökben. Az ilyen kompromisszumok azonban azt jelentik, hogy a szilícium-anód nem tudja elérni elméleti nagy energiasűrűségét. De mindkét vállalat azt állítja, hogy anódjaik jobban működnek, mint egy grafitanód.

Azonban, ha egyre több energiát tölt be az akkumulátorokba, az káros lehet a biztonságukra. A lítium-ion akkumulátor feltalálása óta gyakran gyullad ki. A közelmúltból ismerjük a Samsung Galaxy Note 7 okostelefonok lítium-ionos akkumulátorainak robbanásait az emberek zsebében. Ennek eredményeként az okostelefon kivonult a piacról, ami 5,3 milliárd dollárba került a dél-koreai vállalatnak.

A mai lítium-ion akkumulátorok továbbra is kockázatosak, mert szinte mindig gyúlékony folyadékokat használnak elektrolitként. Megoldás lehet szilárd elektrolitok használata. Ez azonban más kompromisszumokat jelent. Ennek oka, hogy a folyékony elektrolit minden elektródadarabbal érintkezik, így képes az ionok hatékony továbbítására. Szilárd anyagokkal ezt sokkal nehezebb megvalósítani. A szilárd elektrolitokat tartalmazó lítium-ion akkumulátorok kereskedelmi felhasználása eddig csak alacsony teljesítményt igénylő alkalmazásokra korlátozódott, például az internetre csatlakoztatott érzékelőkre.

A folyékony elektrolit nélküli akkumulátor létrehozására irányuló erőfeszítések két csoportra oszthatók: az egyik szilárd polimereket használ magas hőmérsékleten, a másik kerámiákat szobahőmérsékleten. A polimerek összekapcsolt molekulák hosszú láncai. Melegítéskor egyes típusú polimerek folyadékként viselkednek (nagy ionvezető képességgel rendelkeznek), de a legtöbb elemben használt folyékony elektrolitok gyúlékonysága nélkül. De vannak korlátozásaik is. Csak 105 ° C feletti hőmérsékleten dolgozhatnak, ami azt jelenti, hogy okostelefonokhoz gyakorlatilag nem használhatók. Ezek azonban felhasználhatók például a hálózati energia tárolására a háztartási elemekben.

Az elmúlt évtizedben két kerámiaosztályról - az LLZO-ról (lítium, lantán és cirkónium-oxid) és az LGPS-ről (lítium, germánium, foszfor-szulfid) - kimutatták, hogy szobahőmérsékleten majdnem olyan folyékony ionokat képes végrehajtani. A Toyota és a QuantumScape induló dolgozik a kerámiák lítium-ion akkumulátorokban való elhelyezésén. A nagy játékosok bevonása azt jelezheti, hogy az áttörés közelebb lehet, mint sokan gondolják. Az elemek már most is nagy üzletek, és piacuk folyamatosan növekszik. Sok pénz jár ezzel, ami rengeteg vállalkozót vonz még több ötlettel.

Az akkumulátorok indítása azonban még nehezebb fogadást jelent, mint a szoftvercégek, amelyekről köztudottan magas a hibaarány. Valójában kiderült, hogy ha a vegyészek egy tulajdonság javítására törekszenek (pl. Az energia sűrűsége), akkor kompromisszumokat kell kötniük egy másik területen (pl. Biztonság). Ez az egyensúly megteremtése lassú és problémákat okozó haladást eredményez. Nos, tekintve, hogy pl. Az Egyesült Államokban ma háromszor több elemző van, mint 10 évvel ezelőtt, a siker esélye nő. Az akkumulátorokban rejlő lehetőségek óriásiak, de tekintettel az előttünk álló kihívásokra, minden igényt meg kell adni az új áttörő akkumulátorokról, megfelelő szkepticizmussal.