Przewodnik po najnowszych postępach w zakresie baterii

Pojazdy elektryczne, hybrydy i energia odnawialna mają co najmniej jedną wspólną cechę – jeśli kiedykolwiek mają być szerzej stosowane, reprezentując większość samochodów na drogach lub mają duży udział w dostawach energii elektrycznej, baterie muszą być znacznie lepsze . Baterie będą musiały przechowywać więcej energii, dostarczać ją szybciej i niezawodnie, a ostatecznie kosztować znacznie mniej. Konkretne sposoby ulepszenia baterii różnią się w zależności od zastosowania, ale we wszystkich tych obszarach naukowcy poczynili znaczne postępy.

W zeszłym tygodniu naukowcy z MIT kierowani przez Yang-Shao Horn, profesora inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej, oraz Paulę Hammond, profesora inżynierii chemicznej, ogłosili nowe podejście do akumulatorów litowo-jonowych dużej mocy, które są przydatne do pojazdów hybrydowych lub do stabilizacji sieci elektrycznej. Akumulatory o dużej mocy szybko akceptują i zapewniają ładowanie. W hybrydach celem jest uzupełnienie silnika benzynowego, aby mógł pracować z najwyższą wydajnością. Akumulator napędza samochód przy niskich prędkościach na krótkich dystansach i zwiększa przyspieszenie, zmniejszając obciążenie silnika. Przechwytuje również energię z hamowania, która w przeciwnym razie zostałaby utracona w postaci ciepła. W przypadku sieci elektroenergetycznej takie baterie mogą buforować zmiany podaży i popytu na energię elektryczną – coś, co staje się coraz ważniejsze, gdy wprowadzane są bardziej zmienne źródła energii elektrycznej, takie jak energia wiatrowa i słoneczna.

Naukowcy z MIT zademonstrowali nową elektrodę akumulatorową, opartą na specjalnie przygotowanych nanorurkach węglowych, która wytrzymuje tysiące cykli bez utraty wydajności. Baterie wykonane z tych elektrod mogą dostarczać wystarczającą moc do napędzania na przykład dużych samochodów dostawczych lub śmieciarek, przy czym baterie nie są zbyt ciężkie, aby były praktyczne. (Naukowcy muszą zwiększyć grubość elektrod, aby były praktyczne w tych zastosowaniach.) Firmy takie jak A123 Systems z siedzibą w Watertown w stanie Massachusetts opracowały również akumulatory litowo-jonowe o bardzo dużej mocy oraz inne grupy akademickie i startupy opracowują ultrakondensatory na bazie nanorurek węglowych, które przechowują energię za pomocą innego mechanizmu niż baterie, co jest szczególnie przydatne w przypadku dużej mocy i długiej żywotności.

Chociaż nowe elektrody mogą w końcu być przydatne w hybrydach i do stabilizacji sieci, nie są szczególnie dobre do innych zastosowań, takich jak pojazdy całkowicie elektryczne. W przypadku pojazdów elektrycznych całkowita ilość energii przechowywanej przez akumulatory jest ważniejsza niż szybkość, z jaką ta energia może zostać dostarczona, ponieważ to całkowita ilość określa, jak daleko te samochody mogą przejechać między ładowaniami. Naukowcy z MIT, którzy opracowali nowe elektrody z nanorurek węglowych, opracowują również inny rodzaj baterii do przechowywania dużych ilości energii. Nazywana baterią litowo-powietrzną, w której jedna z dwóch elektrod baterii jest zastąpiona interfejsem z powietrzem, technologia ta przyciągnęła ostatnio duże fundusze rządowe i zainteresowanie ze strony firm takich jak IBM. Teoretycznie takie akumulatory mogą przechowywać trzy razy więcej energii niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe. Jednak konstrukcja ma wiele problemów, które utrudniają komercjalizację, między innymi podatność aktywnych materiałów na wilgoć (stosowany przez nią metaliczny lit może się zapalić, jeśli zmoknie) oraz tendencja akumulatorów do przestania działać po ponownym naładowaniu. kilka razy.

Podobnie jak akumulatory litowo-powietrzne, inne potencjalne technologie akumulatorów o wysokiej energii napotykają wiele przeszkód, co może pomóc wyjaśnić, dlaczego hybrydy z akumulatorami o dużej mocy, a nie wysokoenergetycznymi, odniosły większy sukces niż pojazdy elektryczne. Wiele z najbardziej obiecujących chemikaliów akumulatorów jest zbyt trudnych do wyprodukowania na dużą skalę, rozpada się po kilku cyklach lub jest zbyt drogich. Według amerykańskiego Departamentu Energii kompletne zestawy akumulatorów kosztują dziś od 800 do 1200 dolarów za kilowatogodzinę i przechowują około 100 do 120 watogodzin na kilogram. Aby pojazdy elektryczne były praktyczne i przystępne cenowo, Departament Energii chciałby, aby koszty spadły do ​​250 USD za kilowatogodzinę i zwiększyły pojemność magazynową do ponad 200 watogodzin na kilogram. (Osiągnięcie tych celów będzie wymagało jeszcze większych pojemności magazynowych dla poszczególnych ogniw baterii, które składają się na pakiety baterii – około 400 watogodzin na kilogram).

Chociaż ulepszanie akumulatorów do pojazdów hybrydowych i elektrycznych jest trudne, jednym z największych długoterminowych wyzwań dla badaczy akumulatorów jest wytwarzanie akumulatorów, które mogą tanio magazynować ogromne ilości energii wytwarzanej przez panele słoneczne i turbiny wiatrowe, tak aby energia elektryczna z tych źródeł była dostępna, gdy słońce nie świeci lub nie wieje wiatr. Na razie takie baterie nie są potrzebne - jest wystarczająco dużo energii z konwencjonalnych źródeł, aby pokryć luz. Ale jeśli energia słoneczna i wiatrowa mają kiedykolwiek dostarczać większość energii elektrycznej, potrzebne będzie magazynowanie, a dzisiejsze baterie są o wiele za drogie. Cel DOE dla takich baterii wynosi mniej niż 100 USD za kilowatogodzinę, mniej niż połowę celu dla pojazdów elektrycznych. Obecnie taniej jest zbudować elektrownię na gaz ziemny jako zapasowe źródło energii lub magazynować energię poprzez pompowanie wody pod górę, skąd może ona później spływać w dół, aby zakręcić generator. Jednym z eksperymentalnych podejść do takich tanich baterii jest coś, co nazywa się baterią płynną , która wykorzystuje niedrogie materiały do ​​samodzielnego montażu.

Nawet jeśli problemy z bateriami zostaną rozwiązane w laboratorium, technologie te napotykają przeszkody w komercjalizacji. Aby obniżyć koszty, producenci akumulatorów zwracają się do zastosowań innych niż pojazdy elektryczne i sieć, aby uruchomić nowe technologie, takie jak mikroelektronika, elektronarzędzia i samochody wyścigowe. Hybrydy plug-in mogą również służyć jako pomost do pojazdów elektrycznych. Wtyczki wykorzystują zapasowe generatory zasilane gazem, aby zwiększyć zasięg, umożliwiając producentom samochodów używanie mniejszych i tańszych zestawów akumulatorów niż w przypadku pojazdów elektrycznych. Producenci samochodów, tacy jak GM, ze swoim Chevroletem Voltem, który ma się ukazać w tym roku, przyjmują takie podejście. Pojazdy elektryczne w sprzedaży, które trafią do sprzedaży w ciągu najbliższych kilku lat, to albo drogie samochody sportowe i luksusowe, których koszty mogą być wysokie, albo ich koszty początkowe są zmniejszane dzięki kreatywnemu finansowaniu, takiemu jak leasing baterii pakiety lub oferujące plany na milę, podobne do planów na minutę oferowanych przez firmy telefonii komórkowej.

ukryć