Geleceğin Bataryaları
Geleceğin Bataryaları
Öne çıkan bataryaları ve bu bataryaların laboratuvarlarda neden hala kullanıldığını öğrenin.
Lityum batarya ailesinin genelde ortak bir özelliği vardır. Günümüzde yaygın bir pil olarak kullanılan lityum iyondaki okside, katot ile üretilebilenden daha yüksek spesifik bir enerji üretmek için, metalik bir lityum anot kullanılmaktadır.
Araştırmacılar ayrıca Li-ion piller için silikon-karbon nanokompozit malzemelere dayanan bir anot yapısı geliştirdiler. Bir silikon anot, teorik olarak bir grafit anot enerjisinin 10 katını depolayabilir, ancak şarj ve deşarj sırasında genleşme ve büzülme sistemi dengesiz hale getirir. Anota grafit eklenmesinin; kararlı performansa sahip, düzenli lityum-iyondan beş kat daha fazla teorik bir kapasiteye ulaştığı söylenmektedir, ancak, lityum-iyonun yüksek hacimde eklenmesi ve çıkarılması sırasında, yapısal problemler nedeniyle döngü ömrünün sınırlı olacağı söylenmektedir.
Sekizgen bir bataryanın, sekiz temel gereksiniminin karşılanması kendi başına bir zorluktur. Ticarileşme hareketi, daima on yıl ileride olan hareketli bir hedef üzerinde dursa da bilim adamları pes etmemektedir.
İşte en çok gelecek vaad eden deneysel pillerden bazıları:
Lityum-Hava (Li-air)
Lityum-hava heyecan verici yeni bir ufuk gösteriyor çünkü bu batarya mevcut lityum-iyon teknolojilerinde mümkün olandan çok daha fazla enerji depolamayı vaad ediyor. Bilim adamları pile “nefes aldırarak” havayla şarj etmek için "çinko-hava" yakıt hücresinden fikir alıyorlar. Batarya; oksijen destekli hava katodu olan bir katalitik ve lityum anot içeren bir elektrolitik kullanmaktadır.
Lityum havasının spefesifik teorik enerjisi 13kWh / kg'dır. Alüminyum hava da denenmiştir ancak enerjisi 8kWh / kg'da biraz daha düşüktür. Bu enerjiler gerçekten sağlanabilseydi, batarya da bilindiği gibi metal hava, yaklaşık 13kWh / kg'de benzinle eşit olurdu. Ancak, nihai ürün teorik enerji yoğunluğunun sadece dörtte biri bile olsa, %90'ından daha iyi verimi olan elektrik motoru, ICE'ye karşı yalnızca yüzde %25–30'luk ısıl verim ile daha düşük kapasiteye sahip olacaktır.
Li-air 1970'lerde önerildi ve 2000'li yılların sonlarında, kısmen maddi bilimdeki gelişmeler ve elektrik güç aktarma sistemi için daha iyi bir batarya bulma çabası nedeniyle yeniden ilgi gördü. Kullanılan malzemeye bağlı olarak, lityum-air 1.7 ile 3.2V / hücre arasında voltaj üretebilir. IBM, MIT, California Üniversitesi ve diğer araştırma merkezleri bu teknolojiyi geliştiriyor.
Diğer nefes alan (air breathing) bataryalarda olduğu gibi, özellikle soğuk havalarda, spesifik güç düşük olabilir. Hava saflığının, şehirlerimizde soluduğumuz havanın lityum havası için yeterince temiz olmadığı ve filtrelenmesi gerekeceği için zor olduğu belirtiliyor. Hepimizin bildiği gibi, pil, yardımcı desteğin hayatta kalması için, üretilen enerjinin yüzde 30'unu, bir yakıt hücresine benzeyen kompresörler, pompalar ve filtrelere sağlamak zorunda kalabilir.
Diğer bir problem ise ani ölüm sendromudur. Lityum ve oksijen, elektron hareketini önleyen ve bataryanın depolama kapasitesinde ani düşüşe sebep olan bir bariyer üreten lityum peroksit filmleri oluşturur. Bilim adamları, bu filmin oluşumunu önlemek için katkı maddeleri ile denemeler yapmaktalar. Ayrıca çevrim ömrünün de geliştirilmesi gerekecek gibi gözüküyor, zira laboratuar testleri şu anda sadece 50 döngü üretebiliyor.
Lityum-metal (Li-metal)
Lityum-metal uzun zamandan beri yüksek enerji ve iyi yükleme kabiliyeti nedeniyle gelecekteki şarj edilebilir pil olarak görülüyor. Bununla birlikte, kontrolsüz lityum biriktirme, ayırıcıya nüfuz ederek ve kısa bir elektrik üreterek, güvenlik tehlikelerine neden olan dendrit büyümesine neden olmaktadır. Yeniden şarj edilebilir lityum metal pillerin bir kaç başarısız ticarileştirme girişimlerinden sonra, araştırma aşamaları ve bu pilin sınırlı üretimi devam etmektedir. 2010 yılında, deneysel bir elektrikli araca 300Wh / kg kapasiteli bir deneme lityum metali yerleştirildi. Bu bataryanın Alman üreticisi "DBM Energy", akünün seri üretilmesi durumunda: 2500 devir, kısa şarj süresi ve rekabetçi fiyat vaad ediyor.
Bu bataryalar ile bir Audi A2, tek bir şarjla Münih'ten Berlin'e 450km (284mil) yol alabildi. Laboratuar testinde arabanın kendisini ateşten yaktığına dair bir söylenti de var. Lityum metal piller zorlu onay testlerinden geçmiş olsa da, uzun süreli güvenlik bir sorun olmaya devam ediyor, çünkü metal filamanlar elektriksel kısa devre yapabilecek şekilde oluşabiliyor.
300Wh / kg'da lityum metal, lityum bazlı şarj edilebilir pillerin en yüksek spesifik enerjilerinden birine sahiptir. Tesla S 85 aracındaki NCA 250Wh / kg’da geliyor, BMW i3’deki LMO’da 120Wh / kg ve Nissan Leaf’te benzer bir kimyaya sahip olan 80Wh / kg bulunuyor. BMW i3 ve Leaf'teki bataryalar yüksek dayanıklılık için üretilmiştir; Tesla ise buradaki açığı boyutu artırarak kapatmaktadır.
Dendritin büyümesini önleyen bir çözeltinin doğuşu yakın olabilir. Li-metal pillerde dendritsiz tortular üretmek için elektrolit katkı maddesi olarak nanodiamonds ekleyerek testler yapılmaktadır. Bu, lityumun elmas bir yüzeyi emmeyi tercih ettiği, düzgün bir tortu oluşturan ve daha yüksek döngü performansı sağlayan bir prensip üzerinde çalışır. Testler 200 saat boyunca istikrarlı bir döngü göstermiştir, ancak bu, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi tüketici uygulamaları için yeterli garanti sağlamaz. Araştırmalar ile birlikte, Li-metal piller yanıcı olmayan elektrolitler, daha güvenli elektrot malzemeleri ve daha güçlü ayırıcılar dahil olmak üzere başka önlemlere ihtiyaç duyabilir.
Katı hal lityum (solid-state lithium)
Mevcut lityum-iyon piller bir grafit anot kullanır ve bu spesifik enerjiyi azaltır. Katı hal teknolojisi, grafiti saf lityum ile değiştirir ve gözenekli bir ayırıcıya batırılmış sıvı elektrolitin yerine katı bir polimer veya seramik ayırıcı kullanır. Bu, güvenlik ve performans nedenlerinden dolayı durdurulan 1970 lityum polimerine benzer. (Bkz. BU-206: Li-polimer: Hype Maddesi.)
Katı hal bataryası lityum metal ile benzer bir özelliği paylaşıyor, bilim adamları kuru polimer ve seramik ayırıcıların kullanımıyla metalik filaman oluşumu sorununu aşmaya çalışıyorlar. Ek zorluklar, soğuk sıcaklıklarda yeterli iletkenlik ve döngü sayısının iyileştirilmesinin gerekliliğidir. Katı hal prototiplerinin ise yalnızca 100 döngüye ulaştığı belirtilir.
Katı hal pilleri, normal lityum iyona'a kıyasla iki kat daha fazla enerji depolayacağını vaad eder, ancak yükleme kabiliyetleri düşük olabilir, bu da bunları elektrik motorları ve yüksek akım gerektiren uygulamalar için daha az uygun hale getirir. Hedeflenen uygulamalar, bu pilin izin verdiği kısa şarj sürelerinde yenilenebilir enerji kaynağı sağlamak ve EV gibi uygulamalar için yük seviyelendirmedir.
Araştırma laboratuvarları, katı hal akünün 2020 yılına kadar ticari olarak temin edilebileceğini ve 2025 yılında otomobillerde uygulanabileceğini tahmin ediyor.
Hükümetler, katı hal pilleri üzerinde araştırma yapan şirketleri büyük hibelerle ödüllendiriyor. Laboratuvar raporları, yanıcı elektrolit içermediğinden yüksek spesifik enerjiye ve üstün güvenliğe sahip olduklarını gösteriyor, ancak pil uzmanları henüz lityum iyonun yerine geçme kabiliyetine ikna olmuş durumda değil.
Lityum-sülfür (Li-S)
Lityumun düşük atom ağırlığı ve ılımlı kükürt ağırlığı nedeniyle, lityum-kükürt bataryalar, lityum-iyonun yaklaşık üç katı olan 550Wh / kg'lık çok yüksek bir özgül enerji sunar. Lityum-sülfür ayrıca 2500 W / kg'lık saygın bir özel güce sahiptir. Boşalma sırasında, lityum anot yüzeyinden çözünür ve tekrar anot üzerine kaplayarak şarj olurken kendini tersine çevirir.
Lityum sülfür; 2,10V'luk bir hücre voltajına sahiptir, yüksek-düşük sıcaklık deşarj özellikleri sunar ve –60 ° C'de (–76 ° F) şarj edilebilir. Çevre dostu bir bataryadır. Ana bileşen olan kükürt bol miktarda bulunur. KWh başına 250 ABD Doları değerinde bir fiyatın mümkün olduğu belirtiliyor.
Tipik bir lityum iyon, bir otel misafirine çok benzeyen lityum iyonları barındıran bir grafit anot içerir. Batarya boşaldığında, akü iyonları katoda bırakır ve otelden sabahları dışarı çıkan konukları kopyalar. Lityum sülfür'de grafit, elektrot olarak çift görev yürüten ve lityum iyonları sağlayan bir katalizör olan lityum metal ile değiştirilir. Li-S bataryası, Lityum iyon'da kullanılan metal oksit katodunu daha ucuz ve daha hafif kükürt ile değiştirerek "ölü ağırlıktan" kurtulunmaktadır. Sülfür, lityum iyonun aksine, çift-rezervasyonlu lityum atomlarının ek avantajına sahiptir.
Lityum-kükürt ile ilgili bir zorluk, katottan uzağa gidip lityum anot ile tepkimeye girerek döngü yürütme sırasında sülfür kaybolduğundan, sadece 40-50 şarj / deşarj ile sınırlı bir döngü ömrü vardır. Diğer problemler zayıf iletkenlik, zamanla kükürt katodunun bozulması ve daha yüksek sıcaklıklarda zayıf stabilitesidir. 2007'den beri, Stanford mühendisleri nano-tel ile deneyleri yapmışlardır. Grafen ile yapılan denemelerin sonucu da umut vericidir.
Sodyum-iyon (Na-ion)
Sodyum-iyon, sodyumun ucuz ve hali hazırda temin edilebilir oldumasından dolayı, lityum-iyon için olası bir düşük maliyetli alternatifi temsil etmektedir. 1980'lerin sonlarında lityum lehine bir kenara bırakılan sodyum iyon, diğer batarya sistemlerinde sıkça karşılaşılan baskılarla karşılaşmadan tamamen deşarj olma avantajına sahiptir. Batarya ayrıca "Tehlikeli Mal Düzenlemeler'ine" uymak zorunda kalmadan da gönderilebilir. Bazı hücreler 3,6V'a sahiptir ve özgül enerji kurşun asit bataryasına benzer kWh başına bir maliyetle yaklaşık 90Wh / kg'dir. Batarya tam olarak şarj olduğunda, devir sayısını artırmak ve büyük hacimsel genişlemeyi çözmek için daha fazla geliştirmeye ihtiyaç duyulacaktır.
Lityum-mangan-demir-fosfat (LMFP [Lithium-manganese-iron-phosphate])
Lityum-manganez-demir-fosfatın, normal lityum-fosfat LiFePO4 sistemine göre kapasiteyi % 15'e kadar arttırdığı belirtilmektedir. Ortalama çalışma voltajı 4.0V, özgül enerji 135Wh / kg'dır ve bir çevrim ömrünün 5.000 olduğu belirtilmektedir. Ekonomik maliyet ve güvenlik, bu bataryayı elektrik aktarma organları için aday yapan diğer avantajlardandır.