A lítium-ion akkumulátor 6 alternatívája: az energiatárolás jövője
Az okostelefonoktól az elektromos járművekig az akkumulátorok táplálják életünk leghatásosabb technológiáit. És bár maguk az akkumulátorok nem jelentenek új technológiát, a legtöbb eszközünket működtető lítium-ion (Li-on) típus csak néhány évtizeddel ezelőtt kezdett teret hódítani. De ahogy a világ keresi a megújuló és fenntartható energiaforrásokat, például a szél- és a napenergiát, az elmúlt években hasonló áttörések jelentek meg a lítium-ion akkumulátorok alternatívái terén is.
Minden litium-ion akkumulátor egy katódból (pozitív elektróda), egy anódból (negatív elektróda) és egy elektrolit közegből áll. Amikor lemerül a feltöltött Li-ion akkumulátor, a pozitív töltésű lítium-ionok az anódról a katódra mozognak. Ez elektronáramlást is beindít, amely elektronikus eszközök táplálására használható. Amikor egy Li-ion akkumulátort töltődik, ugyanez a folyamat fordítva megy végbe.
Összességében egy olyan ciklus működik, amely lehetővé teszi a Li-ion akkumulátor több százszori feltöltését és kisütését. De ez nem jelenti azt, hogy a technológia tökéletes.
A Li-ion akkumulátoroknak számos hátránya van, amelyek az iPhone gyártásától kezdve az elektromos autók életképességéig mindenre hatással voltak. Néhány ilyen probléma:
- Biztonság: A lítium nagyon reaktív és gyúlékony fém. A Li-ion akkumulátort meghatározott hőmérsékleten és olyan körülmények között kell tartani, amelyek nem teszik lehetővé a túltöltést vagy a rövidzárlatot. Ennek hiányában ezek az akkumulátorok hajlamosak meggyulladni vagy akár felrobbanni a termikus kifutásnak nevezett láncreakció következtében.
- Szűkösség: A lítium a Li-ion akkumulátorok kulcsfontosságú alkotóeleme, de csak korlátozott mennyiségben van belőle bolygónkon. Ezenkívül a lítiumkészletek többsége a gyártóközpontoktól távol található.
- Fenntarthatóság: A Li-on akkumulátorok környezetromboló bányászati gyakorlattal járnak olyan fémek esetében, mint a lítium, kobalt és nikkel. Ezen túlmenően ezen fémforrások nagy része olyan fejlődő országokban található, mint például a Kongói Demokratikus Köztársaság. Ezeken a területeken még nem alakítottak ki etikus bányászati gyakorlatot, ami azt jelenti, hogy a Li-ion termelés jelentősen hozzájárul az üvegházhatású gázok kibocsátásához.
- Tartósság: A legtöbb gyártó csak körülbelül 800-1000 töltési ciklusig garantálja az akkumulátor teljesítményét. Ez nagyjából napi egy töltés három éven keresztül. Ennek az az oka, hogy a Li-ion akkumulátorok hajlamosak idővel lemerülni. A különféle kémiai és fizikai igénybevételek csökkentik az ilyen akkumulátorokban elérhető lítium-ionok mennyiségét, és csökkentik azok töltésmegtartó képességét.
A legjobb lítium-ion akkumulátor alternatívák
Tekintettel a fenti problémákra, nem meglepő, hogy gyakorlatilag az összes nagy technológiai vállalat alternatív akkumulátortechnológiákat keres. Noha ezen erőfeszítések közül sok még gyerekcipőben jár, a következő évtizedben néhány már új generációs elektromos járműveket és egyéb fogyasztói elektronikai cikkeket hajthat meg.
Nátrium-ion akkumulátorok
A nátrium-ion akkumulátorokban a nátrium-ion egyszerűen helyettesítheti a lítiom-iont, mint töltéshordozót. Ez az egyetlen változtatás nagy hatással van az akkumulátor előállítására, mivel a nátrium sokkal nagyobb mennyiségben van jelen, mint a lítium. Valójában az óceánokból származó só felhasználható a nátrium kinyerésére szinte bárhol a világon. Ez az akkumulátorgyártás költségeit is csökkentheti, mivel többé nem kell aggódni a potenciálisan veszélyes anyagok, például a lítium tárolása és szállítása miatt.
Azonban a nátrium-ion akkumulátorok sem tökéletesek. Ionjaik fizikailag nagyobbak, mint a lítium, ami alacsonyabb energiasűrűséget jelent. A való világban ez alacsonyabb hatótávolságot eredményezhet az elektromos járműveknél és rövidebb működési időt az okostelefonoknál. Ennek ellenére a nátrium-ion akkumulátorok egyéb előnyei további kutatást igényelnek a technológia területén.
Lítium-kén akkumulátorok
A lítium-ion akkumulátor kobaltot használ az anódnál, ami nehezen beszerezhető. A lítium-kén (Li-S) akkumulátorok orvosolhatják ezt a problémát, ha helyette ként használnak katódos anyagként. A kobalt cseréje mellett a Li-S akkumulátorok néhány előnyt is kínálnak, nevezetesen nagyobb energiasűrűséget és alacsonyabb gyártási költségeket.
A lítium-kén akkumulátorok legnagyobb problémája jelenleg a gyors lebomlásukkal kapcsolatos. Tehát annak ellenére, hogy 2008-ban láttunk egy napenergiával működő repülőgépet Li-S akkumulátorral, továbbra is folyamatos kutatásra van szükség a technológia életképessé tételéhez a mindennapi elektronika számára.
Szilárdtest akkumulátorok
A lítium-ion akkumulátorok folyékony elektrolit közeget használnak, amely lehetővé teszi az ionok mozgását az elektródák között. Az elektrolit általában egy szerves vegyület, amely meggyulladhat, ha az akkumulátor túlmelegszik vagy túltöltődik. Így ennek a kockázatnak a csökkentése érdekében a kutatók egy alternatívát dolgoztak ki szilárdtest akkumulátorok formájában. Ezek szilárd szervetlen elektrolitot használnak, amely képes ellenállni a zord környezetnek és a vad hőmérsékleti ingadozásoknak.
Az alacsonyabb gyulladási kockázat mellett a szilárdtest akkumulátorok több energiát is képesek tárolni, mint Li-ion társai. A szilárd elektrolit nagyobb vezetőképessége gyorsabb töltési időt is eredményezhet, vagyis jobb kapacitást és töltési sebességet kell látnunk azoknál az eszközöknél, amelyek áttérnek erre a technológiára.
Eddig azt tapasztaltuk, hogy az elektromos járműgyártók élénk érdeklődést mutatnak a szilárdtest akkumulátorok iránt. A Honda például azt mondta, hogy már 2024-ben bemutatja a technológiát. A Toyota eközben konzervatívabb megközelítést alkalmaz, és azt tervezi, hogy kereskedelmi forgalomba kerülő szilárdtest akkumulátorokat 2027 után tervez bemutatni.
Hidrogén üzemanyagcellák
Bár nem teljesen hasonlít az újratölthető Li-ion akkumulátorhoz, a hidrogén üzemanyagcellák a tiszta energiaellátás népszerű alternatívájaként jelentek meg. Ez magában foglalja a tárolt hidrogéngázt a levegő oxigénjével kombinálva elektromos áram és vízgőz előállítására. Más szóval, a reakció mellékterméke teljesen környezetbarát.
A hidrogén üzemanyagcelláknak azonban még mindig vannak hátrányai. Az autóiparban például hidrogéntöltő állomások hálózatát kell kiépíteni. A hidrogén-üzemanyagcellák építése is meglehetősen drága, így bár vannak olyan autók, mint a Toyota Mirai, a világon csak néhány régió rendelkezik megfelelő infrastruktúrával a hidrogéntartály üzemanyaggal való feltöltéséhez.
Vizes magnézium akkumulátorok
Az újratölthető akkumulátorok kevésbé veszélyessé és károssá tételére tett újabb kísérlet során a kutatók magnéziumionok használatát javasolták töltéshordozóként. Ennek van néhány előnye, kezdve a magnézium bőséges elérhetőségével és a lítiumhoz képest magasabb iontöltésével. Ez utóbbi azt jelenti, hogy nagyobb energiasűrűség kapható ugyanakkora méretű cellából. Végül ezek az akkumulátorok is vizes elektrolitot (vizet) használnak gyúlékony szerves folyadék helyett.
Bár ígéretesek, még mindig a kutatás kezdeti szakaszában járnak. A technológia számos korláttal szembesül, amelyek megakadályozzák, hogy egyhamar a lítium-ion akkumulátor alternatívájaként szolgáljon. Például a lítiummal működő meglévő katódanyagok nem használhatók magnéziumhoz. A vizes elektrolit használata pedig korlátozza az akkumulátor maximális feszültségét, mert a víz nagyobb feszültségnél lebomlik.
Grafén akkumulátorok
A grafén egyetlen réteg szénatom, amely hatszögletű rácsban vagy méhsejt-szerű szerkezetben helyezkedik el. A grafénlap olyan vékony, hogy gyakorlatilag kétdimenziós szerkezetnek tekintik. Ez az egyedülálló tulajdonság kiválóan alkalmas akkumulátorgyártásra, mivel kiváló elektromos vezetőképességgel, kis tömeggel és erős fizikai szerkezettel rendelkezik. 2021-ben a kínai GAC autógyártó áttörést jelentett be a grafénakkumulátor-technológiában, mindössze nyolc perc alatt 80%-os töltöttséget érve el.
Sok felhajtást láttunk a grafén mint lítium-ion akkumulátor alternatívája körül, de a kereskedelmi termékek egyelőre életképtelenek. A költség talán a legnagyobb oka annak, hogy az iparág még nem fogadta el. Mivel több, mint 60 000 dollár tonnánként, a grafént jelenleg csak nagyon kis mennyiségben használják. A Ford például nyomokban felhasználja az anyagot a motorokban és az üzemanyag-rendszerekben, hogy csökkentse a zajt és ellenálljon a hőnek.
Forrás: www.androidauthority.com