ثلاث تقنيات للبطاريات يمكنها أن تمد المستقبل بالطاقة

يحتاج العالم إلى مزيد من الطاقة ، ويفضل أن يكون ذلك في شكل نظيف ومتجدد.تتشكل استراتيجيات تخزين الطاقة لدينا حاليًا بواسطة بطاريات الليثيوم أيون - في طليعة هذه التكنولوجيا - ولكن ما الذي يمكن أن نتطلع إليه في السنوات القادمة؟

لنبدأ ببعض أساسيات البطارية.البطارية عبارة عن حزمة مكونة من خلية واحدة أو أكثر ، ولكل منها قطب موجب (القطب السالب) ، وقطب سالب (الأنود) ، وفاصل وإلكتروليت.يؤثر استخدام مواد كيميائية ومواد مختلفة لهذه على خصائص البطارية - مقدار الطاقة التي يمكن تخزينها وإخراجها ، ومقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها أو عدد المرات التي يمكن تفريغها وإعادة شحنها (وتسمى أيضًا سعة التدوير).

تقوم شركات البطاريات باستمرار بإجراء تجارب للعثور على كيماويات أرخص وأكثر كثافة وأخف وزناً وأكثر قوة.تحدثنا إلى باتريك برنارد - مدير أبحاث Saft ، الذي شرح ثلاث تقنيات جديدة للبطاريات ذات إمكانات تحويلية.

جيل جديد من بطاريات الليثيوم أيون

ما هذا؟

في بطاريات الليثيوم أيون (li-ion) ، يتم توفير تخزين الطاقة وإطلاقها من خلال حركة أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب ذهابًا وإيابًا عبر الإلكتروليت.في هذه التقنية ، يعمل القطب الموجب كمصدر أولي لليثيوم والقطب السالب كمضيف لليثيوم.يتم جمع العديد من المواد الكيميائية تحت اسم بطاريات الليثيوم ، كنتيجة لعقود من الاختيار والتحسين بالقرب من الكمال في المواد النشطة الإيجابية والسلبية.أكاسيد المعادن الليثية أو الفوسفات هي المواد الأكثر شيوعًا المستخدمة كمواد موجبة حالية.يتم استخدام الجرافيت ، وكذلك الجرافيت / السيليكون أو أكاسيد التيتانيوم الصخرية كمواد سلبية.

مع المواد الفعلية وتصميمات الخلايا ، من المتوقع أن تصل تقنية Li-ion إلى حد الطاقة في السنوات القادمة.ومع ذلك ، فإن الاكتشافات الحديثة جدًا لعائلات جديدة من المواد النشطة التخريبية يجب أن تفتح الحدود الحالية.يمكن لهذه المركبات المبتكرة تخزين المزيد من الليثيوم في أقطاب موجبة وسالبة وستسمح لأول مرة بدمج الطاقة والقوة.بالإضافة إلى ذلك ، مع هذه المركبات الجديدة ، يتم أيضًا أخذ ندرة وحساسية المواد الخام في الاعتبار.

ما هي مميزاته؟

اليوم ، من بين جميع تقنيات التخزين الحديثة ، تتيح تقنية بطاريات ليثيوم أيون أعلى مستوى من كثافة الطاقة.يمكن ضبط الأداء مثل الشحن السريع أو نافذة التشغيل بدرجة الحرارة (-50 درجة مئوية حتى 125 درجة مئوية) من خلال الاختيار الكبير لتصميم الخلية والكيمياء.علاوة على ذلك ، تعرض بطاريات Li-ion مزايا إضافية مثل التفريغ الذاتي المنخفض جدًا والعمر الطويل جدًا وأداء ركوب الدراجات ، وعادةً ما تكون آلاف دورات الشحن / التفريغ.

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

من المتوقع نشر جيل جديد من بطاريات الليثيوم المتطورة قبل الجيل الأول من بطاريات الحالة الصلبة.ستكون مثالية للاستخدام في تطبيقات مثل أنظمة تخزين الطاقة لـالطاقة المتجددةوالنقل (البحريةوالسكك الحديديةطيرانوالتنقل على الطرق الوعرة) حيث تكون الطاقة العالية والطاقة العالية والسلامة إلزامية.

بطاريات الليثيوم الكبريتية

ما هذا؟

في بطاريات الليثيوم أيون ، يتم تخزين أيونات الليثيوم في مواد نشطة تعمل بمثابة هياكل مضيفة مستقرة أثناء الشحن والتفريغ.في بطاريات الليثيوم الكبريت (Li-S) ، لا توجد هياكل مضيفة.أثناء التفريغ ، يتم استهلاك أنود الليثيوم ويتحول الكبريت إلى مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية ؛أثناء الشحن ، تتم العملية العكسية.

ما هي مميزاته؟

تستخدم بطارية Li-S مواد نشطة خفيفة للغاية: الكبريت في القطب الموجب والليثيوم المعدني كقطب سالب.هذا هو السبب في أن كثافة طاقتها النظرية عالية بشكل غير عادي: أربعة أضعاف كثافة أيون الليثيوم.هذا يجعلها مناسبة بشكل جيد لصناعات الطيران والفضاء.

اختارت Saft وفضلت تقنية Li-S الواعدة القائمة على إلكتروليت الحالة الصلبة.يجلب هذا المسار التقني كثافة طاقة عالية جدًا وعمرًا طويلاً ويتغلب على العيوب الرئيسية لـ Li-S القائم على السائل (عمر محدود ، تفريغ ذاتي مرتفع ، ...).

علاوة على ذلك ، تعد هذه التقنية مكملة لأيون الليثيوم في الحالة الصلبة بفضل كثافة طاقة الجاذبية الفائقة (+ 30٪ على المحك في Wh / kg).

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

تم بالفعل التغلب على حواجز التكنولوجيا الرئيسية ومستوى النضج يتقدم بسرعة كبيرة نحو نماذج أولية واسعة النطاق.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عمرًا طويلًا للبطارية ، من المتوقع أن تصل هذه التقنية إلى السوق بعد حالة الليثيوم أيون الصلبة مباشرةً.

بطاريات الدولة الصلبة

ما هذا؟

تمثل بطاريات الحالة الصلبة نقلة نوعية من حيث التكنولوجيا.في بطاريات الليثيوم الأيونية الحديثة ، تنتقل الأيونات من قطب كهربائي إلى آخر عبر السائل المنحل بالكهرباء (يسمى أيضًا التوصيل الأيوني).في جميع بطاريات الحالة الصلبة ، يتم استبدال الإلكتروليت السائل بمركب صلب يسمح مع ذلك لأيونات الليثيوم بالانتقال داخله.هذا المفهوم بعيد عن أن يكون جديدًا ، ولكن على مدار السنوات العشر الماضية - بفضل البحث العالمي المكثف - تم اكتشاف عائلات جديدة من الشوارد الصلبة ذات الموصلية الأيونية العالية جدًا ، على غرار السائل المنحل بالكهرباء ، مما يسمح بالتغلب على هذا الحاجز التكنولوجي المعين.

اليوم،سافتتركز جهود البحث والتطوير على نوعين رئيسيين من المواد: البوليمرات والمركبات غير العضوية ، بهدف التآزر بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية مثل قابلية المعالجة ، والاستقرار ، والموصلية ...

ما هي مميزاته؟

الميزة الكبيرة الأولى هي التحسن الملحوظ في السلامة على مستوى الخلايا والبطارية: الشوارد الصلبة غير قابلة للاشتعال عند تسخينها ، على عكس نظيراتها السائلة.ثانيًا ، يسمح باستخدام مواد مبتكرة عالية السعة عالية الجهد ، مما يتيح بطاريات أكثر كثافة وأخف وزناً مع عمر تخزين أفضل نتيجة لتقليل التفريغ الذاتي.علاوة على ذلك ، على مستوى النظام ، فإنه سيحقق مزايا إضافية مثل الميكانيكا المبسطة بالإضافة إلى إدارة الحرارة والسلامة.

نظرًا لأن البطاريات يمكن أن تظهر نسبة عالية من الطاقة إلى الوزن ، فقد تكون مثالية للاستخدام في السيارات الكهربائية.

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

من المحتمل أن يتم طرح عدة أنواع من بطاريات الحالة الصلبة بالكامل في السوق مع استمرار التقدم التكنولوجي.الأولى ستكون بطاريات الحالة الصلبة ذات الأنودات القائمة على الجرافيت ، مما يؤدي إلى تحسين أداء الطاقة والسلامة.بمرور الوقت ، يجب أن تصبح تقنيات بطاريات الحالة الصلبة الأخف التي تستخدم أنود الليثيوم المعدني متاحة تجارياً.