Maailma odottaa akun läpimurtoa. Lähes jokaisella elektroniikkateollisuuden sektorilla, kaikella akulla käyvällä, on akkua käyttävien akkujen teho ja käyttöikä rajoitettu.
Asiaan liittyvä sisältö
- Miksi suola on tämän voimalaitoksen arvokkain omaisuus
- Sinun ei koskaan tarvitse kytkeä tätä akutonta matkapuhelinta
"Paristojen eteneminen tai eteneminen on paljon hitaampaa kuin muilla aloilla, ja tämä on akuille ominainen rajoitus", sanoo Journal of Power Sources -lehden päätoimittaja Stefano Passerini. ”Et voi odottaa akkua, joka voi toimittaa energiaa matkapuhelimeen viikon tai kuukauden ajan. Aivan lopussa käytettävissä olevat elementit määräävät suurimman mahdollisen energian määrän, jonka voit tallentaa akkuun. ”
Mutta siinä on edistystä. Tutkijat pyrkivät parantamaan litium-ioniparistojen energiatiheyttä (mehu painoa ja tilavuutta kohti), hintaa, turvallisuutta, ympäristövaikutuksia ja jopa käyttöikää sekä suunnittelemaan kokonaan uusia tyyppejä.
Suurin osa akkuista löytyy kolmelta päätoimialalta: kulutuselektroniikka, auto- ja verkkovarastointi.
"Kutsuisin niitä kolmeen suureen ämpäriin, joissa ihmiset menevät paristojen kanssa", sanoo Venkat Srinivasan, varaosasto tutkimus- ja kehitysjohtajalle Energian laitoksen energian varastointitutkimuksen yhteiskeskuksessa. Jokaisella kauhalla on erilaiset vaatimukset, ja siten käytetyt paristot voivat (joskus) olla hyvin erilaisia toisistaan. Tämä taskussa oleva puhelin tarvitsee pienikokoisen ja turvallisen akun, mutta paino ja hinta eivät ole yhtä tärkeitä. Suurenna autoakkujen määrää ja niin monien paristojen kanssa kustannuksista ja painosta tulee tärkeitä sekä pyöräilyikä (olisit todella hullu, jos uusi Tesla tarvittaisiin uusia paristoja parin vuoden välein). Skaalaa vielä pidemmälle, ja paristoilla, joita alkaa käyttää talon ja verkon energian varastointiin, on erittäin vähän paino- tai kokovaatimuksia.
Kulutuselektroniikka - puhelin, tietokone, kamera, tabletti, droonit, jopa kello - on vuosikymmenien ajan toiminut litium-ioniakuilla helpon lataamisen ja suuren energiatiheyden ansiosta. Näissä paristoissa grafiitin hila, täytetty litiumioneilla, muodostaa anodin. Katodi muodostaa oksidin, joka on kytketty vastakkaiseen napaan, ja nämä kaksi erotetaan nestemäisellä elektrolyytillä, joka antaa ionien kulkea sen läpi. Kun ulkoiset navat on kytketty, litium hapettuu ja ionit virtaavat katodiin. Lataus on päinvastainen. Mitä enemmän litiumioneja voidaan siirtää tällä tavalla, sitä enemmän virtaa akku voi pitää. Olemme arvostaneet pienikokoisuutta ja helppokäyttöisyyttä, ellei akun käyttöikä ja turvallisuus. Mutta parantamisen varaa ei ehkä ole paljon, Passernini sanoo.
"Nyt litium-ioni-akut ovat tavallaan lähellä rajaa", hän sanoo. "Vaikka sanoimme tämän jo noin 10 vuotta sitten, ja parannukset viimeisen 10 vuoden aikana ovat olleet melko merkittäviä."
Autojen tapauksessa akut ovat viime kädessä vastuussa auton eliniästä ja pelkäämästä ahdistuneisuudesta, kun kyse on sähköautoista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi insinöörit ja tutkijat yrittävät saada paristoihin lisää jännitekapasiteettia. Mutta se liittyy usein virheellisiin kemiallisiin reaktioihin, jotka vähentävät kapasiteettia ajan myötä. Suuri osa tutkimuksesta on tarkoitettu uusien materiaalien ja kemikaalien löytämiseen litium-ionihilan tai muiden paristojen osien avuksi tai korvaamiseksi.
Srinivasan huomauttaa parista mahdollisesta innovaatiosta, ja nämä eivät ole vain autojen osalta: Perinteinen grafiittianodin hila voitaisiin korvata piillä, joka sisältää 10 kertaa enemmän litiumioneja. Mutta piillä on taipumus laajentua, koska se imee litiumia, joten paristojen on otettava huomioon tämä. Tai: Hilan sijasta litiummetalli voisi toimia anodina - edellyttäen, että voimme selvittää, kuinka pidämme sen katkeamasta katastrofaalisesti, kun se ladataan. Se on ongelma, jonka akkujen valmistajat ovat yrittäneet ratkaista, koska litium-ioni-akku keksittiin vuosikymmeniä sitten. "Olemme saaneet erittäin toivoa siitä, että olemme ajankohtana, jolloin ehkä 30-vuotiaan ongelman voidaan ratkaista uudelleen", Srinivasan sanoo.
Ehkä litium voitaisiin korvata kokonaan. Tutkijat etsivät tapoja käyttää natriumia tai magnesiumia sen sijaan. Yhteinen energian varastointitutkimuskeskus käyttää tietokonemallinnusta tutkiakseen räätälöityjä, oksidipohjaisia materiaaleja, jotka voisivat toimia katodina magnesiumanodille. Magnesium on erityisen houkutteleva, koska sen rakenne antaa sille mahdollisuuden hyväksyä kaksi elektronia atomia kohti, kaksinkertaistaen varauksen, jonka se voi pitää.
Prashant Jain ja hänen yhteistyökumppaninsa Illinoisin yliopistossa työskentelevät erilaisilla litiumparistoilla: elektrolyytillä. Elektrolyytti on neste, joka täyttää kationin (positiivisesti varautunut ioni) ja anionin (negatiivisesti varautunut ioni) välisen tilan, jolloin varautuneet hiukkaset pääsevät virtaamaan läpi. On jo kauan tiedossa, että tietyt kiinteät materiaalit, kuten kupariselenidi, myös sallivat ionien virtata, mutta eivät riittävän nopeasti suuritehoisten laitteiden käyttämiseen. Kemian apulaisprofessori Jain ja hänen opiskelijansa ovat kehittäneet superionisen kiinteän aineen, joka on valmistettu kupariselenidin nanohiukkasista ja jolla on erilaisia ominaisuuksia. Se antaa varautuneiden hiukkasten virrata nopeudella, joka on verrattavissa nestemäiseen elektrolyyttiin.
Tämän tekniikan potentiaaliset hyödyt ovat kaksi: turvallisuus ja elinkaari. Jos nykyinen litium-ioni-akku vaurioituu, akku oikosulkee ja kuumenee. Neste höyrystyy, eikä mikään siellä estä nopeaa energian purkautumista - puomi. Kiinteä aine estää lyhyen ja sallii täysmetalli-anodin, joka tarjoaa suuremman energiakapasiteetin. Lisäksi toistuvien jaksojen aikana nestemäiset elektrolyytit alkavat liuottaa katodia ja anodia, ja tämä on ensisijainen syy siihen, että akut eivät lopulta lataudu.
”Kaikkia näitä asteittaisia parannuksia on tosiasiallisesti saavutettu. Mutta ei ole koskaan ollut suurta dramaattista läpimurtoa, häiritsevää tekniikkaa, jossa voidaan sanoa nyt, että kiinteä elektrolyytti todella vastaa potentiaaliaan kuljettaa ioneja, jotka nestemäiset elektrolyytit voivat ”, Jain sanoo. "Nyt kun turvallisuuskysymykset ovat nousseet esille nestemäisten elektrolyyttien kanssa, tutkijat ovat olleet kuin, ehkä meidän on ajateltava jotain dramaattisia kiinteillä elektrolyytteillä ja tehtävä lopullisesti yksi, joka voi korvata nestemäisen elektrolyytin."
Litium-ionipariston keksijä John Goodenough kehittää akkua lasipohjaisella elektrolyytillä. (Cockrell-tekniikan korkeakoulu, Teksasin yliopisto, Austin) Yksi alkuperäisen litium-ioni-akun yhdessä keksijöistä ottaa uuden tavan kiinteiden olosuhteiden elektrolyyttejä vastaan: Teksasin yliopiston tekniikan emeritusprofessori John Goodenough on julkaissut ja jättänyt patenttihakemuksen lasisella akulla -pohjainen elektrolyytti. Kyllästämällä lasi litiumilla tai natriumilla, Goodenough on voinut antaa virran virtata vieläkin nopeammin estäen oikosulkua ja lisäämällä energiakapasiteettia kiinteällä anodilla.
Kaikki tämä tutkimus tulee vaikuttamaan taskujemme ja autojen akkuihin. Mutta on olemassa kolmas luokka, jossa vaikutukset ovat globaalit.
Melanie Sanford käyttää mallityökaluja erityyppisissä akkuissa - valtavissa, redox-virta-akkuissa, jotka varastoivat uusiutuvien voimalaitosten energiaa ja vapauttavat sen, kun tuuli ja aurinko eivät ole käytettävissä. Energian tuotannon ja kulutuksen huippujen ja laaksojen tasoittaminen auttaa uusiutuvien energialähteiden mittakaavassa tuottamaan muutakin kuin vain lisävoimaa.
Etelä-Kalifornian Edison kokeilee jo akkupankkeja käyttämällä Teslan autoakkuja, mutta koska akut ovat perinteisiä litiumionipohjaisia, ne ovat liian kalliita käyttää mittakaavassa, joka sallii maailmanlaajuisen uusiutuvan energian. Lisäksi verkkoakkua koskevat rajoitukset ovat paljon erilaisia kuin auto. Paino ja koko eivät ole ongelma, mutta hinta ja käyttöikä ovat.
Redox-virtausparistossa energian varastointimateriaalia pidetään nestemäisessä muodossa suurissa säiliöissä, minkä jälkeen se pumpataan pienempään kennoon, missä se reagoi samanlaisen laitteen kanssa, jolla on vastakkainen varaus. Tietokonemallinnuksen ansiosta Sanfordin laboratorio on suunnitellut orgaanisia molekyylejä räätälöitynä, mikä on johtanut tuhatkertaiseen kasvuun päivästä kuukauteen kuukauden ajaksi, jolloin nämä molekyylit pysyvät vakaina.
"Verkkomittakaavalle tarvitset sellaisia materiaaleja, jotka ovat erittäin halpoja, koska puhumme valtavista akkuista", sanford Sanford sanoo. "Puhumme tuulipuistosta ja sitten vertailukelpoisesta alueesta varastoja, joissa on nämä paristot."
Sanfordin mukaan innovaatiot tulevat sekä materiaalitieteestä - uusien materiaalien kehittämisestä akkujen lataamiseksi - että insinööriltä, joka tekee näiden materiaalien ympärille rakennetut järjestelmät tehokkaammiksi. Tarvitsemme molemmat, mutta putkilinja tutkimuksesta tuotantoon on välttämättä uusi pullonkaula.
"Kaikkien tulisi olla tietoisia siitä, että yhtäkään akkua ei mahdu kaikille sovelluksille", Passerini sanoo. ”On selvää, että jopa saada vähän - 10 prosenttia, 20 prosenttia suorituskyvystä - se on iso asia. Meidän on tehtävä tutkimusta kentällä. Tutkijoita on tuettava. "
