Maailma tarvitsee lisää voimaa, mieluiten puhtaassa ja uusiutuvassa muodossa.Energian varastointistrategiaamme muokkaavat tällä hetkellä litiumioniakut – tällaisen tekniikan kärjessä – mutta mitä voimme odottaa tulevina vuosina?
Aloitetaan akun perusasioista.Akku on paketti yhdestä tai useammasta kennosta, joista jokaisessa on positiivinen elektrodi (katodi), negatiivinen elektrodi (anodi), erotin ja elektrolyytti.Erilaisten kemikaalien ja materiaalien käyttö näihin vaikuttaa akun ominaisuuksiin – kuinka paljon energiaa se voi varastoida ja tuottaa, kuinka paljon virtaa se voi tuottaa tai kuinka monta kertaa se voidaan purkaa ja ladata (kutsutaan myös kiertokapasiteetiksi).
Akkuyhtiöt kokeilevat jatkuvasti löytääkseen halvempia, tiheämpiä, kevyempiä ja tehokkaampia kemikaaleja.Puhuimme Saftin tutkimusjohtajan Patrick Bernardin kanssa, joka selitti kolmea uutta akkuteknologiaa, joilla on muutospotentiaalia.
UUDEN SUKUPOLVEN LITIUM-ION AKUT
Mikä se on?
Litiumioniakuissa (litiumioniakuissa) energian varastointi ja vapautuminen saadaan aikaan litiumionien liikkeellä positiivisesta elektrodista negatiiviseen elektrolyytin kautta edestakaisin.Tässä tekniikassa positiivinen elektrodi toimii alkuperäisenä litiumin lähteenä ja negatiivinen elektrodi litiumin isäntänä.Li-ion-akkujen nimeen on koottu useita kemikaaleja vuosikymmeniä kestäneen valinnan ja optimoinnin tuloksena lähelle positiivisten ja negatiivisten aktiivisten materiaalien täydellisyyttä.Litiaattimetallioksidit tai -fosfaatit ovat yleisin materiaali, jota käytetään positiivisina materiaaleina.Negatiivisina materiaaleina käytetään grafiittia, mutta myös grafiittia/piitä tai litiumoksidia.
Varsinaisten materiaalien ja kennosuunnittelun myötä li-ion-teknologian odotetaan saavuttavan energiarajan tulevina vuosina.Kuitenkin aivan äskettäin löydettyjen uusien häiritsevien aktiivisten materiaalien perheiden pitäisi avata nykyiset rajat.Nämä innovatiiviset yhdisteet voivat varastoida enemmän litiumia positiivisiin ja negatiivisiin elektrodeihin ja mahdollistavat ensimmäistä kertaa energian ja tehon yhdistämisen.Lisäksi näillä uusilla yhdisteillä otetaan huomioon myös raaka-aineiden niukkuus ja kriittisyys.
Mitkä ovat sen edut?
Nykyään kaikista huippuluokan tallennustekniikoista litiumioniakkutekniikka mahdollistaa korkeimman tason energiatiheyden.Suorituskykyjä, kuten pikalataus tai lämpötilan käyttöikkuna (-50°C - 125°C), voidaan hienosäätää laajalla kennosuunnittelu- ja kemianvalikoimalla.Lisäksi li-ion-akuilla on lisäetuja, kuten erittäin alhainen itsepurkautuminen ja erittäin pitkä käyttöikä ja pyöräilysuorituskyky, tyypillisesti tuhansia lataus-/purkausjaksoja.
Milloin voimme odottaa sitä?
Uuden sukupolven kehittyneitä litiumioniakkuja odotetaan tulevan käyttöön ennen ensimmäisen sukupolven solid-state-akkuja.Ne ovat ihanteellisia käytettäväksi sovelluksissa, kuten energian varastointijärjestelmissäuusiutuvia energialähteitäja kuljetus (meren-, rautatiet,ilmailuja maastoliikkuvuus), joissa korkea energia, suuri teho ja turvallisuus ovat pakollisia.
LITIUM-RIKKIPISTOT
Mikä se on?
Li-ion-akuissa litiumionit varastoidaan aktiivisiin materiaaleihin, jotka toimivat vakaina isäntärakenteina latauksen ja purkauksen aikana.Litium-rikkiakuissa (Li-S) ei ole isäntärakenteita.Purkaessaan litiumanodia kuluu ja rikki muuttuu erilaisiksi kemiallisiksi yhdisteiksi;latauksen aikana tapahtuu käänteinen prosessi.
Mitkä ovat sen edut?
Li-S-akussa käytetään erittäin kevyitä aktiivisia materiaaleja: rikkiä positiivisessa elektrodissa ja metallista litiumia negatiivisena elektrodina.Tästä syystä sen teoreettinen energiatiheys on poikkeuksellisen korkea: neljä kertaa suurempi kuin litium-ionin.Siksi se sopii hyvin ilmailu- ja avaruusteollisuudelle.
Saft on valinnut ja suosinut lupaavimman Li-S-teknologian, joka perustuu solid-state-elektrolyyttiin.Tämä tekninen tie tuo erittäin korkean energiatiheyden, pitkän käyttöiän ja voittaa nestepohjaisen Li-S:n tärkeimmät haitat (rajoitettu käyttöikä, korkea itsepurkautuminen jne.).
Lisäksi tämä tekniikka täydentää kiinteän olomuodon litiumionia sen ylivoimaisen gravimetrisen energiatiheyden ansiosta (+30 % pelissä Wh/kg).
Milloin voimme odottaa sitä?
Suuret teknologiset esteet on jo voitettu ja kypsyysaste etenee erittäin nopeasti kohti täysimittaisia prototyyppejä.
Pitkää akun käyttöikää vaativissa sovelluksissa tämän tekniikan odotetaan saapuvan markkinoille heti solid-state-litiumionien jälkeen.
KIINTEÄJOHTE-AKUT
Mikä se on?
Solid state -akut edustavat paradigman muutosta tekniikan kannalta.Nykyaikaisissa litiumioniakuissa ionit liikkuvat elektrodilta toiselle nestemäisen elektrolyytin poikki (kutsutaan myös ionijohtavuudelle).Täyskiinteässä akussa nestemäinen elektrolyytti korvataan kiinteällä yhdisteellä, joka kuitenkin sallii litiumionien kulkeutumisen sen sisällä.Tämä konsepti ei ole kaikkea muuta kuin uusi, mutta viimeisten 10 vuoden aikana – intensiivisen maailmanlaajuisen tutkimuksen ansiosta – on löydetty uusia kiinteiden elektrolyyttien perheitä, joilla on erittäin korkea ionijohtavuus, joka muistuttaa nestemäistä elektrolyyttiä, mikä mahdollistaa tämän teknisen esteen voittamisen.
Tänään,SaftTutkimus- ja kehitystyössä keskitytään kahteen päämateriaalityyppiin: polymeereihin ja epäorgaanisiin yhdisteisiin, jotka tähtäävät fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien, kuten prosessoitavuuden, stabiilisuuden, johtavuuden, synergiaan…
Mitkä ovat sen edut?
Ensimmäinen valtava etu on selvä parannus kennojen ja akkujen turvallisuudessa: kiinteät elektrolyytit eivät ole syttyviä kuumennettaessa, toisin kuin nestemäiset vastineensa.Toiseksi se mahdollistaa innovatiivisten, korkeajännitteisten ja suurikapasiteettisten materiaalien käytön, mikä mahdollistaa tiheämpien, kevyempien akkujen ja paremman käyttöiän pienentyneen itsepurkauksen ansiosta.Lisäksi järjestelmätasolla se tuo lisäetuja, kuten yksinkertaistetun mekaniikan sekä lämmön- ja turvallisuushallinnan.
Koska akuilla voi olla korkea teho-painosuhde, ne voivat olla ihanteellisia käytettäväksi sähköajoneuvoissa.
Milloin voimme odottaa sitä?
Useita puolijohdeakkuja tulee todennäköisesti markkinoille teknologisen kehityksen jatkuessa.Ensimmäiset ovat puolijohdeakkuja, joissa on grafiittipohjaisia anodeja, jotka parantavat energiatehokkuutta ja turvallisuutta.Ajan myötä kevyempiä puolijohdeakkutekniikoita, joissa käytetään metallista litiumanodia, pitäisi tulla kaupallisesti saataville.
Postitusaika: 03.08.2022