Inovacijski slojevi u električnoj tehnologiji

Koliko je skalabilan? Što je s kemijom koja stoji iza toga?

Fotografirao David Moum na Unsplash-u

Od osvjetljenja do električne energije, uspjeli smo iskoristiti energiju i u određenoj mjeri razumjeti prirodu kretanja elektrona.

Koliko daleko to možemo uzeti? Koliko bismo trebali biti optimistični?

Međutim, najveći problem nije ni to.

Inovativna rješenja koja ova energetska poduzeća predlažu postoje već gotovo pola desetljeća bez ikakvog revolucionarnog napretka, iako radovi sugeriraju kako povećati postupak.

Ograničenja litij-iona

Počnimo s onim što već imamo.

U dogovoru s nekim industrijskim akterima na ovom području, reporter Christopher Mims iz Wall Street Journala pokazuje da se konkurencija na tržišnom prostoru za učinkovitije i robusnije baterije zagrijava, zajedno sa inovacijama i istraživanjima.

O tome piše kao o logičnom razvoju globalnog društva koje se svakim danom sve više oslanja na struju i međusobno povezane odnose:

„Sljedeći val baterija, koji je dugo u planu, spreman je za komercijalizaciju. To će između ostalog značiti i telefone s 10% do 30% više trajanja baterije, ili telefone s istim trajanjem baterije, ali bržim i lakšim ili svjetlijim ekranima »(Mims, 2018).

Ali mislim da je veliko pitanje koje svakome pada na pamet ako će ovaj pokušaj primjene - koji je vrlo nov i još nije u potpunosti testiran na ljestvici - uspjeti pružiti stalne performanse u skladu s ciljem veće sposobnosti skladištenja i prijenosa električne energije preko vrijeme.

Na to pitanje možemo odgovoriti bližim pregledom kemije.

Opet, ozbiljno ne mislim da je to nešto vrijedno novca koji neke od ovih kompanija troše na to, ali objasnit ću to nakon toga.

Za Mitsovo djelo, pogledajmo kako su autori istraživanja i stručnjaci s kojima je razgovarao uspjeli pronaći rješenje problema svojstvenih ograničenja litij-ionskih baterija.

Mims prvi komentira da iako je istraživanje o poboljšanju količine električne energije koju ove baterije mogu pohraniti i ispustiti je mali, međugodišnji napredak i dalje se postiže.

Ova poboljšanja odnose se na sposobnost anode baterije da pohrani veću količinu elektrona.

S većom količinom elektrona u anodi, baterija nam omogućava održavanje električnih struja kroz duže vremensko razdoblje, jer elektroni koji putuju od anode do katode daju energiju kroz dulje vremensko razdoblje.

Evo nekoliko bočnih i ptičjih pogleda grafita u slojevima grafena, iz ljubaznosti Wikipedije.

Jedna važna stvar koja se mora napomenuti o grafitu je ta što njeno slaganje daje niz jedinstvenih kvaliteta.

Među tim svojstvima je i decentralizacija elektrona kao rezultat orbitalnog preklapanja nastalog vezanjem ugljikovih atoma u šest-prstenastih, dvostruko vezanih slojeva složenih slojeva.

Možete zamisliti decentralizaciju elektrona poput bazena, gdje elektroni bilo kojeg ugljikovog atoma u slojevima grafena slobodno postoje, umjesto da se zadržavaju u blizini svakog pojedinačnog ugljikovog atoma. Dijele se široko.

Mala poboljšanja koja postižemo s litij-ionskim baterijama najvjerojatnije se odnose na naše pojačano razumijevanje grafita i njegovih svojstava (tj. Njegovu sposobnost skladištenja elektrona) tijekom vremena.

Nisam upoznat s točnim detaljima kako grafit pohranjuje elektrone kao anode izvan ovoga.

Ali trenutno se čini da je najpopularnija negativna elektroda (ili anoda) dostupna u prodaji grafit.

Pa zašto jednostavno ne koristiti silikon ili kombinaciju umjesto grafita? Osnovni odgovor svodi se na radikalne strukturne razlike između dvije kombinacije. Nanočestice silicija su ranjive na pucanje.

Predloženo rješenje

Mims napominje da su tvrtke poput Sila Nanotechnologies, Angstron Materials, Enovix i Enevate mogle znatno premašiti ta ograničenja kao dio njihovih istodobnih istraživanja na modelu litij-silikonske baterije (Mims, 2018).

Silicij je poželjan jer može pohraniti do 25 puta više elektrona u odnosu na trenutni litij-grafitni standard.

"Tipično su anode u litij-ionskim baterijama izrađene od grafita, a to je ugljik u kristalnom obliku. Dok grafitne anode sadrže značajan broj litijevih iona, istraživači već odavno znaju da se različiti materijal, silicij, može držati 25 puta više. "

Okej, pa zašto ne bismo koristili silicij integriran s grafitom kao anodom i tada imali puno više elektrona koje onda možemo koristiti za povećanje trajanja baterije?

Pa, Mims izvještava da su neke tvrtke smislile kompleksno rješenje temeljeno na nanočesticama:

"... tajna su nanočestice s tvrdom školjkom od grafit-silicijuma i puno praznog prostora unutra"

No, napominje kako je prednost ograničena na 40% zbog veličine trgovine. Ako želimo veću sferu za više elektrona, potrebna nam je veća anoda, a veća anoda znači i manju učinkovitost elektrona po jedinici prostora.

Kao vizualni prikaz, evo cool slike grubo sfernih silicijev-grafitnih nanočestica (ovo je anoda, negativni dio), gdje će se prvi elektroni pohraniti.

Ova nanočestica ugljika i silicija, proizvedena od strane Global Graphene Group, mogla bi pomoći litij-ionskim baterijama da pohrane značajno više energije. FOTO: GLOBALNA GRUPA GRAFENE

Pa sve se čini sjajno zar ne?

Ako ove lijepe grafitno-silikonske sfere možemo dobiti kao anode, možemo sačuvati redoslijed većeg broja elektrona u anodi baterije za duži vijek trajanja baterije. Imat ćemo više negativnih naboja u tim sferama nanočestica koje ćemo prenijeti na prikladnu katodu.

Ali to je veliko ako.

Zašto ovo rješenje nije održivo

Nema nepoštivanja prema istraživačima i njihovom napornom radu, ali mislim da ova aplikacija ide krivim putem ako želimo učinkovito punjenje, duži vijek trajanja baterije i tako dalje.

Zasluga, Christopher Mims već prepoznaje brojne nedostatke u ovom mogućem prijelazu.

Obnavljanje vjerojatno efikasnije litij-silikonske baterije zahtijevalo bi promjenu paradigme u proizvodnim pogonima, a to bi samo po sebi bilo skupo.

Nadalje, ono što još košta mnogo novca su istraživanja.

Ne znam za vas, ali integriranje silicija s grafenom na razini nanočešća bez sumnje će biti skupo i stoga će se teško ponoviti, što će dovesti do problema s skaliranjem.

U međuvremenu, imamo ljude poput izvršnog direktora Harrolda Rusta koji govore sljedeće:

"S puno većom gustoćom energije i anodama koje su gotovo čisti silicij, tvrtka tvrdi da bi njezine baterije sadržavale 30% do 50% više energije u veličini koja je potrebna za mobilni telefon"

Jamčim vam da bilo kakva vlasnička metoda koju su kemičari tamo na Enovixu smislili za proizvodnju "anoda koji su gotovo čisti silicij" nije skalabilna.

Skalabilan pripravak poroznih nanočestica silicija i njihova primjena za litij-ionske baterije anode (2013)

To je napisano prije pet godina. Autori su mislili kako bi se skala mogla dogoditi za dvije do tri godine. Što se događa?

Logično, čini li se to skalabilnim postupkom u pogledu proizvodnje, ali i u pogledu osiguranja kvalitete?

Po mom skromnom mišljenju, u drugom koraku kemijske reakcije postoji i nešto fluorovodične kiseline, a to nije nešto čime biste se hteli baviti.

Konačno:

  • Kako ćete standardizirati testiranje na poroznost (broj, veličinu itd.) Grafit-silikonske anode ili vlasničke silikonske anode u baterijama?
  • Kako ćete testirati koliko je neporozni Si pretvoren u Porozni Si u ovoj reakciji u dva koraka?
  • Neće li reakcije u dva koraka dovesti do smanjenog prinosa i uzrokovati veće troškove na taj način?
  • Ne postoji li točna slučajnost koja bi mogla izazvati pucanje grafitno-silikonskih anoda tijekom duže uporabe, čineći bateriju neupotrebljivom?
  • Bor, jedan od materijala ovog procesa, nije najjeftiniji materijal na svijetu. Je li napravljena analiza troškova i koristi ako se ovo istraživanje isplati?

Problem stvaranja grafit-silikonskih anoda „savršene veličine“ koji pohranjuju značajne količine energije pouzdano počiva i umire s skalom. Ge i sur. (2013) studija je čak predložila načine za skaliranje postupka, a ovaj je dokument moguće kupiti godinama.

U međuvremenu, BMW navodi da će imati tehnologiju spremnu do 2023. godine, "BMW planira da do 2023. godine ugradi Silu tehnologiju silicijeve anode u plug-in električno vozilo," rekao je glasnogovornik kompanije, "desetljeće nakon otkrića.

Reference

Mims, C. (2018, 18. ožujka). Pojačanje baterije koju smo čekali tek je nekoliko godina. Preuzeto 19. ožujka 2018. s https://www.wsj.com/articles/the-battery-boost-weve-been-waiting-for-is-only-a-few-years-out-1521374401

Ge, M., Rong, J., Fang, X., Zhang, A., Lu, Y., & Zhou, C. (2013). Skalabilan pripravak poroznih nanočestica silicija i njihova primjena za litij-ionske baterije anode. Nano Research, (3), 174.

Ova priča objavljena je u najvećoj poduzetničkoj publikaciji The Startup, koju prati 307 492 i više ljudi.

Pretplatite se za primanje naših najboljih priča ovdje.