Scott Scrivens / Android Authority Od smartfonów po pojazdy elektryczne – baterie samodzielnie zasilają niektóre z najbardziej wpływowych technologii w naszym życiu. I choć same akumulatory nie są jakąś nową technologią, litowo-jonowy (Li-on), który zasila większość naszych urządzeń, zaczął zyskiwać na popularności dopiero kilka dekad temu. Ale gdy świat zaczął korzystać z odnawialnych i zrównoważonych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna, w ostatnich latach pojawiły się również podobne przełomy w alternatywnych akumulatorach litowo-jonowych. W tym artykule rzućmy okiem na akumulatory litowo-jonowe alternatywy akumulatorowe na horyzoncie. Ale najpierw przypomnijmy sobie, jak działają nowoczesne akumulatory i wiele problemów nękających tę technologię.
Jak działa bateria litowo-jonowa?
Lily Katz / Android AuthorityZanim przyjrzymy się, jak działają konkurencyjne technologie, warto ponownie przyjrzeć się podstawom akumulatorów litowo-jonowych i wyjaśnić, dlaczego nie są one idealne w dzisiejszym świecie. Każdy akumulator składa się z katody (elektrody dodatniej), anoda (elektroda ujemna) i ośrodek elektrolitowy. Kiedy rozładowujesz naładowany akumulator litowo-jonowy, dodatnio naładowane jony litu przemieszczają się z anody do katody. Wywołuje to również przepływ elektronów, które można wykorzystać do zasilania urządzeń elektronicznych. A kiedy ładujesz akumulator litowo-jonowy, ten sam proces przebiega w odwrotnej kolejności. W sumie otrzymujesz cykl, który umożliwia setki razy ładowanie i rozładowywanie akumulatora litowo-jonowego. Nie oznacza to jednak, że technologia jest doskonała.
Dlaczego Li-on jest tak problematyczny?
Baterie litowo-jonowe mają wiele wad, które wpływają na wszystko, od produkcji iPhone’a po żywotność samochodów elektrycznych. Niektóre z tych problemów obejmują:
Bezpieczeństwo: Lit jest metalem wysoce reaktywnym i łatwopalnym. Akumulator litowo-jonowy należy przechowywać w określonej temperaturze i w warunkach uniemożliwiających przeładowanie lub zwarcie. W przeciwnym razie akumulatory te mają tendencję do zapalania się, a nawet eksplodowania w wyniku reakcji łańcuchowej zwanej niekontrolowaną utratą ciepła.
Niedostatek: Lit jest kluczowym składnikiem akumulatorów litowo-jonowych, ale na naszej planecie mamy go tylko w ograniczonej ilości. Co więcej, większość zasobów litu zlokalizowana jest z dala od ośrodków produkcyjnych.
Zrównoważony rozwój: Akumulatory litowo-jonowe wymagają praktyk wydobycia metali takich jak lit, kobalt i nikiel, które mają szkodliwy wpływ na środowisko. Co więcej, duża ilość tych zasobów metali znajduje się w krajach rozwijających się, takich jak Demokratyczna Republika Konga. Na tych obszarach nie wprowadzono jeszcze etycznych praktyk wydobywczych, co oznacza, że produkcja litu w znacznym stopniu przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych.
Trwałość: Być może już wiesz, że baterie smartfonów nie są wieczne. Większość producentów gwarantuje wydajność akumulatora jedynie przez około 800 do 1000 cykli ładowania. To mniej więcej jedno ładowanie dziennie przez trzy lata. Dzieje się tak dlatego, że akumulatory litowo-jonowe z biegiem czasu ulegają degradacji. Różne naprężenia chemiczne i fizyczne zmniejszają ilość jonów litu dostępnych w takich akumulatorach i zmniejszają ich zdolność do utrzymywania ładunku.
Najlepsze alternatywy dla akumulatorów litowo-jonowych
Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe problemy, nie powinno dziwić, że praktycznie wszystkie duże firmy technologiczne próbują znaleźć alternatywne technologie akumulatorów. Chociaż wiele z tych wysiłków jest wciąż w powijakach, garstka może w ciągu następnej dekady zasilać pojazdy elektryczne nowej generacji i inną elektronikę użytkową. Dlatego nie marnując czasu, oto krótka lista najlepszych zamienników litowo-jonowych i sposobów, w jakie udoskonalają one istniejącą technologię akumulatorów.
Baterie sodowo-jonowe
Zacznijmy od technologii akumulatorów, która nie odbiega zbytnio od znanej nam technologii Li-on. Akumulatory sodowo-jonowe po prostu zastępują jony litu jako nośniki ładunku sodem. Ta pojedyncza zmiana ma duży wpływ na produkcję akumulatorów, ponieważ sód występuje w znacznie większej ilości niż lit. Tak naprawdę sól z oceanów można wykorzystać do ekstrakcji sodu niemal w każdym miejscu na świecie. Może to również obniżyć koszty produkcji akumulatorów, ponieważ nie trzeba się już martwić przechowywaniem i transportem potencjalnie niebezpiecznego materiału, takiego jak lit. Jednak akumulatory sodowo-jonowe również nie są doskonałe. Ich jony są fizycznie większe niż lit, co przekłada się na niższą gęstość energii. W prawdziwym świecie może to skutkować niższym zasięgiem pojazdów elektrycznych i krótszym czasem pracy smartfonów. Jednak inne zalety akumulatorów sodowo-jonowych wymagają dalszych badań nad tą technologią.
Baterie litowo-siarkowe
W akumulatorze litowo-jonowym na anodzie zastosowano kobalt, który okazał się trudny do zdobycia. Baterie litowo-siarkowe (Li-S) mogłyby rozwiązać ten problem, wykorzystując zamiast tego siarkę jako materiał katodowy. Oprócz zastąpienia kobaltu, akumulatory Li-S mają kilka zalet, a mianowicie wyższą gęstość energii i niższe koszty produkcji. Największym problemem akumulatorów litowo-siarkowych jest obecnie ich szybka degradacja. Chociaż więc już w 2008 roku widzieliśmy samolot zasilany energią słoneczną wykorzystujący akumulator Li-S, wciąż czekamy na dalsze badania, które sprawią, że technologia ta stanie się opłacalna w codziennej elektronice.
Baterie półprzewodnikowe
Baterie litowo-jonowe korzystają z ciekłego elektrolitu, który umożliwia przemieszczanie się jonów pomiędzy elektrodami. Elektrolit to zazwyczaj związek organiczny, który może zapalić się w przypadku przegrzania lub przeładowania akumulatora. Aby więc zmniejszyć to ryzyko, naukowcy opracowali alternatywę w postaci akumulatorów półprzewodnikowych. Wykorzystują one stały, nieorganiczny elektrolit, który wytrzymuje trudne warunki i gwałtowne wahania temperatury. Oprócz mniejszego ryzyka zapłonu, akumulatory półprzewodnikowe mogą również przechowywać więcej energii w porównaniu do swoich odpowiedników litowo-jonowych. Większa przewodność elektrolitu stałego powinna również prowadzić do szybszego czasu ładowania, co oznacza, że powinniśmy zaobserwować większą pojemność i prędkość ładowania w urządzeniach korzystających z tej technologii. Jak dotąd widzieliśmy, że producenci pojazdów elektrycznych żywo interesują się rozwiązaniami półprzewodnikowymi baterie. Na przykład Honda zapowiedziała, że zaprezentuje technologię już w 2024 r. Tymczasem Toyota przyjęła bardziej konserwatywne podejście i planuje zaprezentować komercyjne akumulatory półprzewodnikowe po 2027 r.
Wodorowe ogniwa paliwowe
Zbiornik paliwa Toyota Mirai Chociaż nie są one dokładnie podobne do akumulatorów litowo-jonowych, wodorowe ogniwa paliwowe stały się popularną alternatywą dostarczania czystej energii. Polega na połączeniu zmagazynowanego wodoru z tlenem w powietrzu w celu wytworzenia energii elektrycznej i pary wodnej. Innymi słowy, produkt uboczny reakcji jest całkowicie przyjazny dla środowiska. Wodorowe ogniwa paliwowe mają jednak kilka wad. W branży motoryzacyjnej na przykład trzeba zbudować sieć stacji tankowania wodoru. Budowa wodorowych ogniw paliwowych jest również dość kosztowna, więc chociaż mamy samochody takie jak Toyota Mirai, tylko kilka regionów na świecie dysponuje infrastrukturą umożliwiającą tankowanie zbiornika wodoru.
Wodne baterie magnezowe
W ramach kolejnej próby uczynienia akumulatorów mniej niebezpiecznymi i szkodliwymi badacze zaproponowali wykorzystanie jonów magnezu jako nośników ładunku. Ma to kilka zalet, począwszy od dużej dostępności magnezu i wyższego ładunku jonowego w porównaniu z litem. To drugie oznacza, że z ogniwa tej samej wielkości można uzyskać większą gęstość energii. Wreszcie, w akumulatorach tych zastosowano również wodny elektrolit (wodę) zamiast łatwopalnej cieczy organicznej. Choć jest to obiecujące, wciąż jesteśmy na wczesnym etapie badań. Technologia ta napotyka kilka ograniczeń, które uniemożliwiają jej w najbliższej przyszłości zastąpienie jej alternatywą dla akumulatorów litowo-jonowych. Na przykład istniejących materiałów katodowych współpracujących z litem nie można zastosować w przypadku magnezu. Użycie wodnego elektrolitu ogranicza maksymalne napięcie akumulatora, ponieważ woda ulega rozkładowi przy wyższych napięciach.
Baterie grafenowe
Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożona w sześciokątną siatkę lub strukturę przypominającą plaster miodu. Arkusz grafenu jest tak cienki, że praktycznie uważa się go za strukturę dwuwymiarową. Ta wyjątkowa właściwość dobrze nadaje się do produkcji akumulatorów, ponieważ ma również doskonałą przewodność elektryczną, niską wagę i mocną strukturę fizyczną. W 2021 r. chiński producent samochodów GAC ogłosił przełom w technologii akumulatorów grafenowych, osiągając 80% naładowania w zaledwie osiem minut. Odnotowaliśmy wiele szumu wokół grafenu jako alternatywy dla akumulatorów litowo-jonowych, ale produkty komercyjne na razie pozostają nieopłacalne. Jego koszt jest być może największym powodem, dla którego branża jeszcze go nie przyjęła. Grafen, którego cena wynosi ponad 60 000 dolarów za tonę metryczną, jest obecnie używany jedynie w bardzo małych ilościach. Na przykład Ford wykorzystuje śladowe ilości tego materiału w silnikach i układach paliwowych, aby zmniejszyć hałas i wytrzymać ciepło.
Często zadawane pytania
Czy akumulatory litowo-jonowe są szkodliwe dla środowiska? Tak, akumulatory litowo-jonowe są obecnie produkowane w sposób niezrównoważony środowiskowo ze względu na nieetyczne wydobycie, niski poziom recyklingu i inne czynniki. Jak długo wytrzymują akumulatory litowo-jonowe? Baterie litowo-jonowe zwykle wytrzymują pół dekady lub 800–1000 cykli ładowania, po czym można zauważyć znaczny spadek wydajności. Czy akumulatory litowo-jonowe są bezpieczne? Tak, nowoczesne akumulatory litowo-jonowe są stosunkowo bezpieczne, pod warunkiem, że ich nie przebijesz i utrzymasz je w bezpiecznej temperaturze roboczej. Czy akumulatory litowo-jonowe można poddać recyklingowi? Tak, akumulatory litowo-jonowe zawierają cenne metale, takie jak kobalt i nikiel, które można wyodrębnić podczas recyklingu. Należy jednak odpowiednio się z nimi obchodzić, dlatego recyklingowi nie poświęca się zbyt wiele wysiłku. Uwagi