Светът се нуждае от повече енергия, за предпочитане във форма, която е чиста и възобновяема.Стратегиите ни за съхранение на енергия понастоящем се оформят от литиево-йонни батерии – най-новите в тази технология – но какво можем да очакваме с нетърпение в следващите години?
Нека започнем с някои основи на батерията.Батерията е пакет от една или повече клетки, всяка от които има положителен електрод (катод), отрицателен електрод (анод), сепаратор и електролит.Използването на различни химикали и материали за тях влияе върху свойствата на батерията – колко енергия може да съхрани и изведе, колко мощност може да осигури или колко пъти може да бъде разредена и презаредена (наричано също цикличен капацитет).
Компаниите за батерии непрекъснато експериментират, за да намерят химикали, които са по-евтини, по-плътни, по-леки и по-мощни.Разговаряхме с Патрик Бърнард – директор на Saft Research, който обясни три нови технологии за батерии с трансформиращ потенциал.
НОВО ПОКОЛЕНИЕ ЛИТИЕВО-ЙОННИ БАТЕРИИ
Какво е?
В литиево-йонните (литиево-йонни) батерии съхранението и освобождаването на енергия се осигурява от движението на литиевите йони от положителния към отрицателния електрод напред и назад през електролита.При тази технология положителният електрод действа като първоначален източник на литий, а отрицателният електрод като приемник за литий.Няколко химикали са събрани под името литиево-йонни батерии, като резултат от десетилетия селекция и оптимизация, близки до съвършенството на положителни и отрицателни активни материали.Литиираните метални оксиди или фосфати са най-често срещаният материал, използван като присъстващи положителни материали.Като отрицателни материали се използват графит, но също и графит/силиций или литирани титанови оксиди.
С действителните материали и клетъчни дизайни се очаква литиево-йонната технология да достигне енергиен лимит през следващите години.Независимо от това, съвсем скорошни открития на нови семейства разрушителни активни материали трябва да отключат настоящите ограничения.Тези иновативни съединения могат да съхраняват повече литий в положителни и отрицателни електроди и ще позволят за първи път да се комбинира енергия и мощност.В допълнение, с тези нови съединения, недостигът и критичността на суровините също се вземат предвид.
Какви са неговите предимства?
Днес, сред всички най-съвременни технологии за съхранение, технологията за литиево-йонни батерии позволява най-високо ниво на енергийна плътност.Изпълнения като бързо зареждане или температурен работен прозорец (-50°C до 125°C) могат да бъдат фино настроени чрез големия избор на клетъчен дизайн и химикали.Освен това, литиево-йонните батерии показват допълнителни предимства като много нисък саморазряд и много дълъг живот и циклични характеристики, обикновено хиляди цикли на зареждане/разреждане.
Кога да го очакваме?
Очаква се ново поколение усъвършенствани литиево-йонни батерии да бъдат разгърнати преди първото поколение твърдотелни батерии.Те ще бъдат идеални за използване в приложения като системи за съхранение на енергия завъзобновяеми източниции транспорт (морски, железници,авиацияи мобилност извън пътя), където високата енергия, високата мощност и безопасността са задължителни.
ЛИТИЕВО-СЯРНИ БАТЕРИИ
Какво е?
В литиево-йонните батерии литиевите йони се съхраняват в активни материали, действащи като стабилни хост структури по време на зареждане и разреждане.В литиево-серните (Li-S) батерии няма хост структури.Докато се разрежда, литиевият анод се изразходва и сярата се трансформира в различни химични съединения;по време на зареждане протича обратният процес.
Какви са неговите предимства?
Li-S батерия използва много леки активни материали: сяра в положителния електрод и метален литий като отрицателен електрод.Ето защо неговата теоретична енергийна плътност е изключително висока: четири пъти по-голяма от тази на литиево-йонните.Това го прави подходящ за авиационната и космическата индустрия.
Saft избра и предпочита най-обещаващата Li-S технология, базирана на електролит в твърдо състояние.Този технически път носи много висока енергийна плътност, дълъг живот и преодолява основните недостатъци на базирания на течност Li-S (ограничен живот, висок саморазряд, …).
Освен това, тази технология е допълнение към литиево-йонните в твърдо състояние благодарение на превъзходната си гравиметрична енергийна плътност (+30% заложени в Wh/kg).
Кога да го очакваме?
Основните технологични бариери вече са преодолени и нивото на зрялост напредва много бързо към пълномащабни прототипи.
За приложения, изискващи дълъг живот на батерията, тази технология се очаква да достигне до пазара веднага след твърдотелния литиево-йонен.
ТВЪРДОТЕЛАШНИ БАТЕРИИ
Какво е?
Батериите в твърдо състояние представляват промяна на парадигмата по отношение на технологията.В съвременните литиево-йонни батерии йоните се движат от един електрод към друг през течния електролит (наричано още йонна проводимост).В изцяло твърдотелни батерии течният електролит се заменя с твърдо съединение, което въпреки това позволява на литиевите йони да мигрират в него.Тази концепция далеч не е нова, но през последните 10 години – благодарение на интензивни изследвания в световен мащаб – бяха открити нови семейства твърди електролити с много висока йонна проводимост, подобна на течния електролит, което позволява преодоляването на тази конкретна технологична бариера.
днес,СафтУсилията за научноизследователска и развойна дейност се фокусират върху 2 основни вида материали: полимери и неорганични съединения, като се цели синергията на физико-химичните свойства като обработваемост, стабилност, проводимост...
Какви са неговите предимства?
Първото огромно предимство е значително подобрение на безопасността на ниво клетки и батерии: твърдите електролити са незапалими при нагряване, за разлика от техните течни аналогове.Второ, позволява използването на иновативни материали с високо напрежение и голям капацитет, което позволява по-плътни, по-леки батерии с по-добър живот на съхранение в резултат на намалено саморазреждане.Освен това, на системно ниво, това ще донесе допълнителни предимства като опростена механика, както и управление на топлината и безопасността.
Тъй като батериите могат да покажат високо съотношение на мощност към тегло, те могат да бъдат идеални за използване в електрически превозни средства.
Кога да го очакваме?
Няколко вида изцяло твърдотелни батерии вероятно ще излязат на пазара с продължаващия технологичен прогрес.Първият ще бъде твърдотелни батерии с аноди на базата на графит, което ще доведе до подобрена енергийна ефективност и безопасност.След време технологиите за по-леки твърдотелни батерии, използващи метален литиев анод, трябва да станат търговски достъпни.
Време на публикуване: 3 август 2022 г