Svijetu je potrebno više energije, po mogućnosti u obliku koji je čist i obnovljiv.Naše strategije pohranjivanja energije trenutno oblikuju litij-ionske baterije – na vrhuncu takve tehnologije – ali čemu se možemo radovati u godinama koje dolaze?
Počnimo s nekim osnovama baterije.Baterija je paket od jedne ili više ćelija, od kojih svaka ima pozitivnu elektrodu (katoda), negativnu elektrodu (anoda), separator i elektrolit.Korištenje različitih kemikalija i materijala za njih utječe na svojstva baterije – koliko energije može pohraniti i proizvesti, koliko energije može dati ili koliko puta se može isprazniti i ponovno napuniti (također se naziva ciklički kapacitet).
Tvrtke za proizvodnju baterija neprestano eksperimentiraju kako bi pronašle kemikalije koje su jeftinije, gušće, lakše i snažnije.Razgovarali smo s Patrickom Bernardom – direktorom istraživanja Safta, koji je objasnio tri nove tehnologije baterija s transformativnim potencijalom.
LITIJ-IONSKE BATERIJE NOVE GENERACIJE
Što je?
U litij-ionskim (li-ion) baterijama skladištenje i oslobađanje energije osigurava se kretanjem litijevih iona od pozitivne do negativne elektrode naprijed i natrag preko elektrolita.U ovoj tehnologiji, pozitivna elektroda djeluje kao početni izvor litija, a negativna elektroda kao domaćin za litij.Nekoliko kemija okupljeno je pod nazivom li-ion baterije, kao rezultat desetljeća odabira i optimizacije blizu savršenstva pozitivnih i negativnih aktivnih materijala.Litirani metalni oksidi ili fosfati najčešći su materijali koji se koriste kao prisutni pozitivni materijali.Kao negativni materijali koriste se grafit, ali i grafit/silicij ili litirani titanovi oksidi.
Sa stvarnim materijalima i dizajnom ćelija, očekuje se da će litij-ionska tehnologija dosegnuti energetsku granicu u sljedećim godinama.Ipak, nedavna otkrića novih obitelji disruptivnih aktivnih materijala trebala bi otključati sadašnja ograničenja.Ovi inovativni spojevi mogu pohraniti više litija u pozitivnim i negativnim elektrodama i po prvi će put omogućiti kombiniranje energije i snage.Osim toga, kod ovih novih spojeva također se uzima u obzir nedostatak i kritičnost sirovina.
Koje su njegove prednosti?
Danas, među svim najsuvremenijim tehnologijama pohranjivanja, tehnologija litij-ionskih baterija omogućuje najvišu razinu gustoće energije.Performanse kao što su brzo punjenje ili temperaturni radni prozor (-50°C do 125°C) mogu se fino podesiti velikim izborom dizajna ćelija i kemije.Nadalje, litij-ionske baterije pokazuju dodatne prednosti kao što su vrlo nisko samopražnjenje i vrlo dug životni vijek i ciklične performanse, obično tisuće ciklusa punjenja/pražnjenja.
Kada ga možemo očekivati?
Očekuje se da će nova generacija naprednih litij-ionskih baterija biti postavljena prije prve generacije solid state baterija.Oni će biti idealni za korištenje u aplikacijama kao što su sustavi za pohranu energijeobnovljivi izvori energijei prijevoz (morski, željeznice,zrakoplovstvoi off-road mobilnost) gdje su visoka energija, velika snaga i sigurnost obvezni.
LITIJ-SUMPORNE BATERIJE
Što je?
U litij-ionskim baterijama, litijevi ioni pohranjeni su u aktivnim materijalima koji djeluju kao stabilne strukture domaćini tijekom punjenja i pražnjenja.U litij-sumpornim (Li-S) baterijama nema struktura domaćina.Tijekom pražnjenja, litijeva anoda se troši i sumpor se pretvara u različite kemijske spojeve;tijekom punjenja odvija se obrnuti proces.
Koje su njegove prednosti?
Li-S baterija koristi vrlo lagane aktivne materijale: sumpor u pozitivnoj elektrodi i metalni litij kao negativnu elektrodu.Zbog toga je njegova teoretska gustoća energije iznimno visoka: četiri puta veća od litij-ionske.To ga čini dobrim za zrakoplovnu i svemirsku industriju.
Saft je odabrao i favorizirao Li-S tehnologiju koja najviše obećava temeljenu na elektrolitu u čvrstom stanju.Ovaj tehnički put donosi vrlo visoku gustoću energije, dug životni vijek i prevladava glavne nedostatke Li-S baziranog na tekućini (ograničeni vijek trajanja, visoko samopražnjenje, …).
Nadalje, ova tehnologija je dopuna litij-ionu u čvrstom stanju zahvaljujući superiornoj gravimetrijskoj gustoći energije (+30% u Wh/kg).
Kada ga možemo očekivati?
Glavne tehnološke prepreke već su prevladane i razina zrelosti napreduje vrlo brzo prema prototipovima punog razmjera.
Za aplikacije koje zahtijevaju dugo trajanje baterije, očekuje se da će ova tehnologija stići na tržište odmah nakon litij-ionskog u čvrstom stanju.
SOLID STATE BATERIJE
Što je?
Solid state baterije predstavljaju promjenu paradigme u smislu tehnologije.U modernim li-ionskim baterijama, ioni se kreću od jedne elektrode do druge preko tekućeg elektrolita (također se naziva ionska vodljivost).U potpuno čvrstim baterijama, tekući elektrolit zamijenjen je čvrstim spojem koji unatoč tome dopušta migriranje litijevih iona unutar njega.Ovaj koncept je daleko od novog, ali tijekom proteklih 10 godina – zahvaljujući intenzivnim svjetskim istraživanjima – otkrivene su nove obitelji čvrstih elektrolita s vrlo visokom ionskom vodljivošću, sličnom tekućem elektrolitu, što omogućuje prevladavanje ove tehnološke barijere.
Danas,SaftIstraživački i razvojni napori usmjereni su na 2 glavne vrste materijala: polimere i anorganske spojeve, s ciljem sinergije fizikalno-kemijskih svojstava kao što su mogućnost obrade, stabilnost, vodljivost…
Koje su njegove prednosti?
Prva velika prednost je značajno poboljšanje sigurnosti na razini ćelija i baterija: čvrsti elektroliti nisu zapaljivi kada se zagrijavaju, za razliku od svojih tekućih analoga.Drugo, dopušta upotrebu inovativnih visokonaponskih materijala velikog kapaciteta, što omogućuje gušće, lakše baterije s boljim vijekom trajanja kao rezultat smanjenog samopražnjenja.Štoviše, na razini sustava, donijet će dodatne prednosti kao što su pojednostavljena mehanika, kao i upravljanje toplinom i sigurnošću.
Budući da baterije mogu pokazati visok omjer snage i težine, mogu biti idealne za upotrebu u električnim vozilima.
Kada ga možemo očekivati?
Nekoliko vrsta potpuno solid state baterija vjerojatno će doći na tržište kako se tehnološki napredak nastavlja.Prvi će biti čvrste baterije s anodama na bazi grafita, koje će donijeti poboljšanu energetsku učinkovitost i sigurnost.S vremenom bi tehnologije lakših solid state baterija koje koriste metalnu litijevu anodu trebale postati komercijalno dostupne.
Vrijeme objave: 3. kolovoza 2022