Dunia sedang menunggu penemuan bateri. Hampir setiap sektor industri elektronik, semua yang berjalan pada bateri, dihadkan oleh output kuasa dan tenaga tenaga bateri yang menjalankannya.
Kandungan Terkait
- Kenapa Garam Adakah Aset Yang Paling Berharga Tenaga Kuasa ini
- Anda tidak akan Perlu Plug in Cell Phone Percuma Bateri ini
"Kemajuan atau kemajuan bateri jauh lebih perlahan berbanding dengan bidang lain, dan ini adalah batasan intrinsik bateri, " kata Stefano Passerini, ketua pengarang Jurnal Sumber Kuasa . "Anda tidak boleh mengharapkan bateri yang boleh membekalkan tenaga kepada telefon bimbit selama seminggu atau sebulan. Pada akhirnya, jumlah maksimum tenaga yang anda boleh simpan dalam bateri akan ditetapkan oleh elemen yang tersedia. "
Tetapi ada kemajuan. Penyelidik sedang berusaha untuk meningkatkan ketumpatan tenaga (jus setiap berat dan jumlah), harga, keselamatan, kesan alam sekitar, dan juga jangka hayat kelas yang paling popular, bateri lithium-ion, serta merekabentuk jenis baru.
Kebanyakan bateri boleh didapati dalam tiga industri utama: elektronik pengguna, automotif, dan penyimpanan grid.
"Saya akan panggil mereka tiga buah besar di mana orang berpotongan dengan bateri, " kata Venkat Srinivasan, timbalan pengarah penyelidikan dan pembangunan di Pusat Penyelidikan Penyimpanan Tenaga Bersama Jabatan Tenaga. Setiap baldi mempunyai keperluan yang berbeza, dan dengan itu bateri yang digunakan boleh (kadang-kadang) menjadi sangat berbeza antara satu sama lain. Telefon itu di dalam poket anda memerlukan bateri yang padat dan selamat, tetapi berat dan kos kurang penting. Skala sehingga bateri automotif, dan dengan banyak bateri, kos dan berat menjadi penting, serta kehidupan kitaran (anda akan sangat gila jika Tesla baru itu memerlukan bateri baru setiap beberapa tahun). Lebih besar lagi, dan bateri yang mula digunakan untuk menyimpan kuasa untuk rumah dan grid mempunyai sedikit berat atau keperluan saiz.
Selama beberapa dekad, elektronik pengguna-telefon, komputer, kamera, tablet, dron, walaupun jam tangan anda-telah berjalan pada bateri lithium-ion, berkat ketumpatan mudah dan ketumpatan tenaga yang tinggi. Dalam bateri ini, satu kisi grafit, disumbat dengan ion lithium, membentuk anod. Oksida membentuk katod, disambungkan ke terminal bertentangan, dan kedua-duanya dipisahkan oleh elektrolit cair yang membolehkan ion melaluinya. Apabila terminal luaran disambungkan, litium mengoksidakan dan ion mengalir ke katod. Pengecasan hanyalah sebaliknya. Lebih banyak ion litium yang boleh dipindahkan dengan cara ini, semakin banyak kuasa bateri boleh dipegang. Kami telah menghargai saiz padat dan kemudahan penggunaan, jika tidak hayat bateri dan keselamatan. Tetapi mungkin tidak banyak ruang untuk penambahbaikan, kata Passernini.
"Sekarang bateri lithium-ion adalah jenis yang dekat dengan had, " katanya. "Walaupun kami sudah mengatakan ini kira-kira 10 tahun yang lalu, dan penambahbaikan dalam tempoh 10 tahun yang lalu telah cukup besar."
Dalam kes kereta, bateri akhirnya bertanggungjawab untuk jangka hayat kereta dan untuk kebimbangan yang menakutkan ketika datang ke kereta elektrik. Untuk menangani masalah ini, para jurutera dan ahli sains berusaha untuk menjejalkan lebih banyak kapasiti voltan ke dalam bateri. Tetapi itu sering dikaitkan dengan tindak balas kimia yang rosak, yang mengurangkan kapasiti dari masa ke masa. Banyak penyelidikan ditumpukan untuk mencari bahan-bahan baru dan bahan kimia untuk membantu atau menggantikan kisi litium-ion, atau bahagian-bahagian lain bateri.
Srinivasan menunjukkan beberapa inovasi berpotensi, dan ini bukan hanya untuk kereta sahaja: Anoda kisi grafit tradisional boleh digantikan dengan silikon, yang memegang 10 kali lebih banyak ion lithium. Tetapi silikon cenderung untuk berkembang kerana ia menyerap litium, jadi bateri perlu mengambil kira itu. Atau: Daripada kisi-kisi, logam litium boleh bertindak sebagai anod yang disediakan, kita boleh memikirkan cara untuk mencegahnya daripada terkena bencana apabila ia diisi semula. Ia adalah isu yang pengeluar bateri cuba untuk menyelesaikannya sejak bateri lithium-ion dicipta beberapa dekad lalu. "Kami sangat berharap kami berada pada masa yang mungkin masalah ini dapat ditangani lagi, " kata Srinivasan.
Mungkin litium boleh diganti sepenuhnya. Penyelidik mencari jalan untuk menggunakan natrium atau magnesium dan Pusat Penyelidikan Penyimpanan Tenaga Bersama menggunakan pemodelan komputer untuk menyiasat bahan berasaskan oksida yang direka khas dan boleh berfungsi sebagai katod kepada anod magnesium. Magnesium amat menarik kerana strukturnya membolehkannya menerima dua elektron setiap atom, menggandakan tuduhan yang dapat ditampungnya.
Prashant Jain dan rakan-rakannya di University of Illinois sedang mengerjakan pelbagai aspek bateri litium: elektrolit. Elektrolit adalah bendalir yang mengisi ruang di antara kation (ion yang dikenakan positif) dan anion (ion bermuatan negatif), yang membolehkan zarah yang dikenakan mengalir melalui. Sudah lama diketahui bahawa bahan padat tertentu, seperti selenida tembaga, juga akan membolehkan ion mengalir, tetapi tidak cukup cepat untuk menjalankan alat berkuasa tinggi. Jain, pembantu profesor kimia, dan pelajarnya, telah membangunkan pepejal superionik, yang terbuat dari nanopartikel tembaga selenide, yang mempunyai ciri-ciri yang berbeza. Ia membolehkan zarah bercas mengalir pada kadar yang setanding dengan elektrolit cecair.
Manfaat berpotensi teknologi ini dua kali: keselamatan dan kitaran hayat. Jika bateri litium-ion semasa rosak, seluar bateri dan memanaskan badan. Cecair menguap, dan tiada yang ada untuk menghalang pelepasan cepat tenaga. Solid akan mencegah yang pendek dan membenarkan anod logam penuh, yang menawarkan kapasiti tenaga yang lebih besar. Di samping itu, dalam kitaran yang berulang, elektrolit cecair mula membubarkan katod dan anod, dan inilah sebab utama bateri akhirnya gagal untuk dikenakan.
"Terdapat semua penambahbaikan tambahan yang sebenarnya telah membuat beberapa kemajuan. Tetapi tidak pernah ada kejayaan besar dramatik, teknologi mengganggu yang mana boleh dikatakan sekarang, elektrolit padat benar-benar berpadanan dengan potensi dari segi pengangkutan ion-ion elektrolit cair [boleh], "kata Jain. "Sekarang bahawa isu-isu keselamatan datang ke hadapan, dengan elektrolit cair, penyelidik telah menjadi seperti, mungkin kita perlu memikirkan sesuatu yang dramatik dengan elektrolit padat dan, sekali dan buat semua, buat yang boleh menggantikan elektrolit cair."
John Goodenough, pencipta bersama bateri lithium-ion, sedang membangunkan bateri dengan elektrolit berasaskan kaca. (Sekolah Kejuruteraan Cockrell, Universiti Texas di Austin) Salah satu pencipta bersama bateri lithium-ion asalnya sendiri mengambil langkah lain ke arah elektrolit keadaan pepejal: John Goodenough, profesor kejuruteraan emeritus di University of Texas, telah menerbitkan dan memfailkan permohonan paten untuk bateri dengan kaca berasaskan elektrolit. Dengan mengaburkan kaca dengan litium atau natrium, Goodenough telah dapat membenarkan arus mengalir lebih cepat sambil menghalang seluar pendek dan meningkatkan kapasiti tenaga dengan anod pepejal.
Semua kajian ini akan berpengaruh kepada bateri di dalam poket dan automobil kami. Tetapi ada kategori ketiga, di mana impaknya adalah global.
Melanie Sanford menggunakan alat pemodelan pada jenis bateri alir bateri yang sangat besar, yang akan menyimpan daya dari loji kuasa yang boleh diperbaharui dan melepaskannya apabila angin dan matahari tidak tersedia. Menjelang puncak dan lembah pengeluaran dan penggunaan tenaga akan membantu skala pembaharuan untuk menyediakan lebih daripada sekadar kuasa tambahan.
Southern California Edison sudah bereksperimen dengan bank-bank bateri, menggunakan bateri kereta Tesla, tetapi kerana bateri berasaskan ion lithium tradisional, mereka terlalu mahal untuk digunakan pada skala yang akan membolehkan kuasa diperbaharui global. Selain itu, kekangan untuk bateri grid jauh berbeza daripada kereta. Berat dan saiz bukan masalah, tetapi harga dan seumur hidup adalah.
Dalam bateri aliran redoks, bahan simpanan tenaga dipegang dalam bentuk cecair dalam tangki besar, kemudian dipam ke sel yang lebih kecil di mana ia bertindak balas dengan alat yang serupa yang mempunyai caj yang bertentangan. Pemodelan komputer telah membolehkan makmal Sanford untuk reka bentuk organik molekul tersuai, yang membawa kepada kenaikan seribu kali ganda, dari kurang daripada satu hari ke bulan, dalam jumlah masa molekul ini kekal stabil.
"Untuk sumber skala grid, jenis perkara yang anda perlukan adalah bahan yang sangat murah, kerana kita bercakap tentang bateri yang besar, " kata Sanford. "Kami bercakap mengenai ladang angin, dan kemudian kawasan gudang yang setanding memegang bateri ini."
Menurut Sanford, inovasi akan datang dari sains bahan-bahan untuk membangunkan bahan-bahan baru untuk dimasukkan ke dalam bateri kami-dan dari jurutera yang akan membuat sistem dibina di sekitar bahan-bahan tersebut lebih cekap. Kedua-duanya akan diperlukan, tetapi saluran paip dari penyelidikan ke pengeluaran semestinya menjadi hambatan lain.
"Semua orang perlu sedar bahawa tidak ada satu bateri yang boleh muat semua aplikasi, " kata Passerini. "Adalah jelas bahawa walaupun untuk mendapatkan sedikit 10 peratus, prestasi 20 peratus - ia adalah masalah besar. Kita perlu melakukan penyelidikan di lapangan. Para saintis perlu disokong. "
