Evoluții recente în domeniul bateriilor: litiu-ion și dincolo de ele

Dacă dispozitivul de la care citiți acest articol nu primește energie de la o priză de perete, cel mai probabil este să utilizeze o baterie litiu-ion (uneori numită baterie Li-ion). Cererea pentru acest tip de baterie a crescut în ultimii ani, deoarece progresele tehnologice fac posibilă reducerea dimensiunii bateriei în timp ce crește cantitatea de energie stocată. În acest articol, ne concentrăm pe bateriile litiu-ion. De ce aceste baterii atrag atât de mult interes? Compania multinațională americană de tehnologie Apple are răspunsul: „Comparativ cu tehnologia tradițională a bateriilor, bateriile litiu-ion se încarcă mai repede, durează mai mult și au o densitate de putere mai mare pentru o durată mai mare de viață a bateriei într-un pachet mai ușor.” Apple adaugă: „Când știi puțin despre modul în care funcționează, pot funcționa mult mai bine pentru tine.” Începem prin a analiza câteva statistici care arată starea industriei bateriilor litiu-ion; apoi, vă explicăm cum funcționează bateriile litiu-ion și vă oferim sfaturi despre cum puteți păstra bateria în dispozitivul dvs. În cele din urmă, trecem prin unele dintre tehnologiile care rivalizează cu bateriile litiu-ion.

Unele statistici

Pentru a vă face o idee despre starea industriei bateriilor litiu-ion, să analizăm câteva statistici rapide:

● Se așteaptă ca cererea de energie a bateriei din întreaga lume să crească de la 184 GWh (Gigawatt ore) în 2018 la peste 2.600 GWh până în 2030. Pentru a vă face o idee despre ce înseamnă aceste cifre în realitate, poate fi necesar să știți că 1GW poate alimenta 110 milioane de LED-uri.

● Cererea de baterii litiu-ion este stimulată de creșterea rapidă a vânzărilor de vehicule electrice, companii precum Tesla vândând 500.000 de vehicule electrice în 2020.

● În 2020, dimensiunea proiectată a pieței bateriilor cu litiu a fost de 35,3 miliarde de dolari; este de așteptat să dubleze această cifră în 2025.

● Deoarece cererea pentru baterii litiu-ion continuă să crească, costul acestor baterii este de așteptat să fie cu 50% mai mic până în 2030.

● În mai 2021, cercetătorii de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate Paulson au raportat că au proiectat o baterie electrică în stare solidă litiu-metal pentru mașină electrică care poate fi încărcată în decurs de 10 până la 20 de minute și poate fi încărcată și descărcată de cel puțin 10.000 de ori.

Păstrarea duratei de viață a unei baterii litiu-ion

Una dintre problemele care provoacă confuzie cu bateriile litiu-ion este modul în care ar trebui să încărcați bateria, astfel încât să îi păstrați durata de viață. Durata de viață a unei baterii litiu-ion este adesea determinată de ciclurile de încărcare. Când dispozitivele mobile care utilizează baterii litiu-ion au devenit populare pentru prima dată, ni s-a spus adesea să așteptăm până când bateria a fost aproape descărcată înainte să o putem încărca. Chiar și în timp ce îl încărcați, în mod normal, veți continua să verificați bateria pentru a vedea dacă este plină, astfel încât să o puteți scoate din încărcător. Acest lucru a fost făcut pentru a preveni încărcarea bateriei peste capacitatea sa. Evoluțiile recente în bateriile litiu-ion și dispozitivele mobile au făcut lucrurile mult mai ușoare. De exemplu, Apple îi sfătuiește pe utilizatori: „Încărcați bateria litiu-ion Apple oricând doriți”.  „Nu este nevoie să îl lăsați să se descarce 100% înainte de reîncărcare”. Apple definește, de asemenea, expresia ciclu de încărcare: „Terminați un ciclu de încărcare atunci când ați utilizat (descărcat) o cantitate care este egală cu 100% din capacitatea bateriei – dar nu neapărat toate dintr-o singură încărcare.” Afirmația de mai sus înseamnă că, dacă bateria este la 50%, un ciclu complet de reîncărcare se va întâmpla numai atunci când ați folosit bateria la 0%, ați reîncărcat bateria la capacitatea maximă și apoi ați folosit-o până când s-a descărcat la 50%, consumând în total 100%. Dacă l-ați încărcat din nou în acest moment, începeți un al doilea ciclu de reîncărcare. Acest lucru este diferit de a spune că un ciclu de reîncărcare este de fiecare dată când așezați telefonul pe încărcător și apoi îl scoateți când este plin.

Sfaturi pentru conservarea unei baterii litiu-ion

Într-un articol publicat de PowerElectronics.com, un site dedicat proiectării energiei, Fran Hoffart oferă câteva sfaturi despre extinderea duratei de viață a unei baterii litiu-ion:

● Reîncărcați bateria în orice moment doriți: amintiți-vă, cu cât o baterie are mai puțină energie, cu atât funcționează mai greu pentru a menține dispozitivul în funcțiune, reducând durata de viață a bateriei.

● Evitați încărcarea la o capacitate de 100%: pe măsură ce bateria se încarcă, se încălzește, ceea ce poate avea un efect dăunător asupra duratei sale de viață. Scoaterea bateriei din încărcător la 80% plină înseamnă că petrece mai puțin timp încălzindu-se la încărcare.

● Evitați încărcarea la temperaturi extreme: încărcarea bateriei sub 0 ° C o poate face instabilă și nesigură. Dar o încărcare rapidă? Răspunzând întrebării referitoare la faptul că încărcarea rapidă vă va deteriora bateria, Clifford Colby de la Cnet.com citează opiniile experților. El conchide: „Încărcarea rapidă nu vă va deteriora bateria”. Colby își susține concluzia menționând că faza inițială a unei încărcări rapide „aplică o explozie de tensiune la bateria goală sau aproape golită”, încărcând rapid bateria în minutele inițiale de încărcare. Deoarece bateria este descărcată, poate absorbi cu ușurință explozia de energie fără a suferi daune. În articolul său, Colby răspunde la o altă întrebare obișnuită: vă puteți supraîncărca bateria? El spune că nu vă puteți supraîncărca bateria, deoarece dispozitivele moderne sunt concepute pentru a monitoriza procesul de încărcare și a opri încărcarea după ce bateria este plină.

Tehnologii avansate

Pe măsură ce crește cererea pentru mai multă putere, oamenii de știință și producătorii de baterii lucrează din greu la îmbunătățirea tehnologiei. Aceste eforturi au ca rezultat descoperirea de materiale care încearcă să facă față limitărilor bateriilor utilizate în prezent.

Tratarea exploziilor

Unii dintre acești cercetători care lucrează la soluțiile la provocările și limitările bateriilor litiu-ion actuale se află la Universitatea Texas A&M. Într-un articol publicat de universitate, Vandana Suresh relatează că cercetătorii „au inventat o tehnologie care poate preveni încălzirea și defectarea bateriilor cu litiu”. Suresh îl citează pe Juran Noh, un student implicat în proiectul Universității Texas A&M, care spune: „Am proiectat următoarea generație de anozi pentru baterii cu litiu care sunt eficiente la producerea curenților mari și susținuți necesari pentru a încărca rapid dispozitivele.” Noh adaugă „că această nouă arhitectură împiedică acumularea litiului în afara anodului, care în timp poate provoca un contact neintenționat între conținutul celor două compartimente ale bateriei, care este una dintre cauzele majore ale exploziei dispozitivului.”

Eforturi de prelungire a duratei de viață a bateriei

Una dintre frustrările semnificative la utilizarea bateriilor litiu-ion este pierderea treptată a capacității. Aceasta este o problemă la care lucrează echipe din Japonia Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). EurekAlert.org, un site web condus de Asociația Americană pentru Avansarea Științei (AAAS), raportează că oamenii de știință japonezi dezvoltă „un nou material liant care protejează anodul de grafit al bateriilor Li-ion împotriva degradării chiar și după 1700 de cicluri”. Dacă oamenii de știință japonezi vor reuși, o baterie reîncărcabilă a telefonului ar putea dura de șase ori durata de viață actuală (presupunând că o baterie trebuie înlocuită după 300 de cicluri de încărcare). Anodul de grafit este vital în viața unei baterii litiu-ion deoarece bateria se încarcă, aceasta se degradează. Articolul AAAS spune că pentru ca grafitul din baterie să rămână intact, are nevoie de un liant bun. Piesa raportează că liantele utilizate în prezent sunt departe de a fi ideale din cauza mai multor dezavantaje. Trecând dincolo de bateriile litiu-ion În timp ce eforturile de îmbunătățire a bateriilor litiu-ion sunt în desfășurare, există încercări paralele de a privi materiale diferite de litiu. De exemplu, un articol al lui Michael Taylor publicat de Forbes.com raportează despre o inovație australiană a bateriei aluminiu-ion care promite să se încarce mult mai repede decât bateria litiu-ion. Taylor raportează că „Celulele bateriei grafen aluminiu-ion de la Graphis Manufacturing Group (GMG) din Brisbane se pretind că se încarcă de până la 60 de ori mai repede decât cele mai bune celule litiu-ion și dețin de trei ori energia celor mai bune baze pe aluminiu celule. ” Se așteaptă ca aceste baterii să fie introduse pe piață mai târziu în 2021.

Mai multă densitate energetică

Densitatea energiei denotă cantitatea de energie care poate fi stocată într-un spațiu specific dintr-un material. Prin urmare, dacă o baterie mai mică și una mai mare stochează aceeași cantitate de energie, se spune că bateria mai mică are o densitate de energie mai mare decât bateria mai mare. Îmbunătățirea densității de energie este ceea ce un startup numit QuantumScape lucrează din greu pentru a realiza. Pe 8 decembrie 2020, QuantumScape a lansat o declarație care indică faptul că datele pe care le-a colectat de la următoarea generație de baterii în stare solidă litiu-metal „demonstrează o tehnologie cu baterii litiu-metal în stare solidă cu densitate mare de energie care îmbunătățește durata de viață, timpul de încărcare și Siguranță.” Compania susține că bateria sa este „concepută pentru a permite o autonomie cu până la 80% mai mare în comparație cu bateriile litiu-ion actuale”.