Cum ajungem la următoarea descoperire a bateriei - Cuarț
Citiți o poveste exclusivă pentru membrii Quartz, disponibilă pentru toți cititorii pentru o perioadă limitată de timp. Pentru a debloca accesul la tot Quartz, deveniți membru.
Avioanele electrice ar putea fi viitorul aviației. În teorie, vor fi mult mai silențioase, mai ieftine și mai curate decât avioanele pe care le avem astăzi. Avioanele electrice cu o rază de acțiune de 1.000 km (620 mile) cu o singură încărcare ar putea fi utilizate astăzi pentru jumătate din toate zborurile de avioane comerciale, reducând emisiile de carbon ale aviației globale cu aproximativ 15%.
Este aceeași poveste cu mașinile electrice. O mașină electrică nu este pur și simplu o versiune mai curată a vărului său care aruncă poluare. Este, în esență, o mașină mai bună: motorul său electric face puțin zgomot și oferă un răspuns fulgerător la deciziile șoferului. Încărcarea unei mașini electrice costă mult mai puțin decât plata unei cantități echivalente de benzină. Mașinile electrice pot fi construite cu o fracțiune de piese în mișcare, ceea ce le face mai ieftine de întreținut.
Deci, de ce nu sunt deja mașini electrice peste tot? Acest lucru se datorează faptului că bateriile sunt scumpe, ceea ce face ca costul inițial al unei mașini electrice să fie mult mai mare decât un model similar alimentat cu gaz. Și dacă nu conduceți mult, economiile pe benzină nu compensează întotdeauna costul inițial mai mare. Pe scurt, mașinile electrice nu sunt încă economice.
În mod similar, bateriile actuale nu conțin suficientă energie în greutate sau volum pentru a alimenta avioanele pasagerilor. Încă avem nevoie de descoperiri fundamentale în tehnologia bateriilor înainte ca aceasta să devină realitate.
Dispozitivele portabile alimentate cu baterii ne-au transformat viața. Dar există mult mai multe baterii care pot perturba, chiar dacă bateriile mai sigure, mai puternice și cu densitate mare de energie ar putea fi făcute ieftin. Nicio lege a fizicii nu le împiedică existența.
Și totuși, în ciuda a peste două secole de studiu atent de la prima inventare a bateriei în 1799, oamenii de știință încă nu înțeleg pe deplin multe dintre fundamentele a ceea ce se întâmplă exact în interiorul acestor dispozitive. Ceea ce știm este că există, în esență, trei probleme de rezolvat pentru ca bateriile să ne transforme cu adevărat din nou viața: putere, energie și siguranță.
Nu există o baterie litiu-ion de dimensiuni unice
Fiecare baterie are doi electrozi: un catod și un anod. Majoritatea anodilor bateriilor litiu-ion sunt fabricate din grafit, dar catodii sunt confecționați din diverse materiale, în funcție de ce va fi folosit bateria. Mai jos, puteți vedea cum diferitele materiale ale catodului schimbă modul de funcționare a tipurilor de baterii pe șase măsuri.
Provocarea puterii
În limbajul obișnuit, oamenii folosesc „energie” și „putere” în mod interschimbabil, dar este important să se facă diferența între ei atunci când vorbim despre baterii. Puterea este rata la care energia poate fi eliberată.
O baterie suficient de puternică pentru a lansa și a menține un jet comercial timp de 1.000 km necesită multă energie pentru a fi eliberată în foarte puțin timp, în special în timpul decolării. Deci, nu este vorba doar de a avea multă energie stocată, ci și de a avea capacitatea de a extrage energia foarte repede.
Abordarea provocării energetice necesită să ne uităm în cutia neagră a bateriilor comerciale. O să devină puțin tocilar, dar suportă-mă. Noile tehnologii ale bateriei sunt adesea supraestimate, deoarece majoritatea oamenilor nu privesc suficient de atent detaliile.
Cea mai avansată chimie a bateriei pe care o avem în prezent este litiu-ion. Majoritatea experților sunt de acord că nicio altă chimie nu va întrerupe litiu-ionul timp de cel puțin încă un deceniu sau mai mult. O baterie litiu-ion are doi electrozi (catod și anod) cu un separator (un material care conduce ioni, dar nu electroni, conceput pentru a preveni scurtcircuitul) în mijloc și un electrolit (de obicei lichid) pentru a permite fluxul ionilor de litiu înapoi și mai departe între electrozi. Când o baterie se încarcă, ionii se deplasează de la catod la anod; când bateria alimentează ceva, ionii se mișcă în direcția opusă.
Imaginați-vă două pâini felii. Fiecare pâine este un electrod: cea stângă este catodul și dreapta este unul anod. Să presupunem că catodul este format din felii de nichel, mangan și cobalt (NMC) - una dintre cele mai bune din clasă - și că anodul este alcătuit din grafit, care este în esență foi stratificate sau felii de atomi de carbon.
În starea descărcată - adică, după ce a fost golită de energie - pâinea NMC are ioni de litiu intercalate între fiecare felie. Când bateria se încarcă, fiecare ion de litiu este extras dintre felii și forțat să călătorească prin electrolitul lichid. Separatorul acționează ca un punct de control, asigurându-se că numai ionii de litiu trec prin pâinea de grafit. Când este complet încărcată, pâinea catodică a bateriei nu va mai avea ioni de litiu; toate vor fi îngrijite între feliile de pâine de grafit. Pe măsură ce energia bateriei este consumată, ionii de litiu se deplasează înapoi la catod, până când nu mai rămâne nici unul în anod. Atunci bateria trebuie încărcată din nou.
Capacitatea de alimentare a bateriei este determinată, în esență, de cât de rapid se întâmplă acest proces. Dar nu este atât de simplu să crești viteza. Extragerea prea rapidă a ionilor de litiu din pâinea catodică poate face ca feliile să dezvolte defecte și să se rupă în cele din urmă. Unul dintre motivele pentru care cu cât ne folosim mai mult smartphone-ul, laptopul sau mașina electrică, cu atât durează mai mult bateria. Fiecare încărcare și descărcare determină slăbirea pâinii.
Diferite companii lucrează la soluții la această problemă. O idee este înlocuirea electrozilor stratificați cu ceva mai puternic din punct de vedere structural. De exemplu, compania elvețiană de 100 de ani, Leclanché, lucrează la o tehnologie care utilizează fosfat de litiu-fier (LFP), care are o structură „olivină”, ca catod, și oxid de titanat de litiu (LTO), care are un Structura „Spinel”, ca anod. Aceste structuri sunt mai bune la manipularea fluxului de ioni de litiu în și din material.
Leclanché își folosește în prezent celulele bateriei în stivuitoare pentru depozite autonome, care pot fi încărcate la 100% în nouă minute. Pentru comparație, cel mai bun supraîncărcător Tesla poate încărca o baterie auto Tesla la aproximativ 50% în 10 minute. Leclanché își desfășoară, de asemenea, bateriile în Marea Britanie pentru încărcarea rapidă a mașinilor electrice. Aceste baterii stau la stația de încărcare, preluând încet cantități mici de energie pe o perioadă lungă de timp de la rețea până când sunt complet încărcate. Apoi, când o mașină andochează, bateriile stației de andocare încarcă rapid bateria mașinii. Când mașina pleacă, stația de baterii începe să se reîncarce din nou.
Eforturi precum spectacolul lui Leclanché este posibil să te joci cu chimistele bateriilor pentru a le crește puterea. Totuși, nimeni nu a construit încă o baterie suficient de puternică pentru a furniza rapid energia necesară pentru ca un avion comercial să învingă gravitația. Startup-urile caută să construiască avioane mai mici (cu o capacitate de până la 12 persoane), care ar putea zbura pe baterii cu putere redusă relativ reduse sau avioane electrice hibride, în care combustibilul cu reacție face ridicarea dură și bateriile fac coastă.