Odkedy Alessandro Volta v roku 1800 objavil, že určité kvapaliny v rámci chemickej reakcie generujú tok elektrickej energie, zrodil sa vek batérií. Volta netušil, že po ňom bude pomenovaný prístroj (čo je pravdepodobne jedna z najväčších poct, akej sa môže vedcovi dostať) a že jeho objav bude základom všetkých dnes používaných mobilných technológií. V súčasnosti sa základná štruktúra batérií stále zhoduje so štruktúrou použitou v Danielovom článku, ktorý bol prvýkrát predstavený v roku 1836.

V súčasnosti sa diskusia o batériách sústreďuje na ich využitie ako prostriedkov pre iné technológie, napríklad na posilnenie obnoviteľných zdrojov energie a elektrických vozidiel. Napriek historickým a nedávnym pokrokom v technológii batérií stále zostáva mnoho výziev, ako dosiahnuť, aby boli batérie ekologickejšie, lacnejšie a bezpečnejšie pri vysokom vybití. Mnohé spoločnosti však pracujú na vývoji nových materiálových platforiem pre batérie bez toho, aby došlo k zásadným zmenám v chemickom zložení batérií.

Dnešné výzvy týkajúce sa batérií

Výzvy, ktoré predstavujú dnešné batérie a systémy na skladovanie energie, sa sústreďujú na bezpečnosť a šetrnosť k životnému prostrediu. Súčasnou najlepšou chemickou technológiou batérií na dodávku energie je lítium-iónová batéria, ktorá má aj najväčšie bezpečnostné riziká, avšak z hľadiska kapacity je stále porovnateľná s niklovo-kovovou chemickou technológiou. Keďže lítiová chémia už ponúka určité výhody z hľadiska dodávky energie, zamerala sa na ďalší vývoj a zlepšovanie. Napriek svojim výhodám majú lítium-iónové batérie aj svoje nevýhody:

• Životnosť: Tu máme na mysli celkovú užitočnú životnosť batérie, a nie kapacitu nabitia. Životnosť Li-ion batérií výrazne ovplyvňuje hĺbka nabíjania/vybíjania, rýchlosť nabíjania/vybíjania, počet nabíjacích cyklov, prevádzková teplota a geometria článku.
• Bezpečnosť nabíjania / vybíjania: Li-ion batérie si vyžadujú monitorovanie napájania a ochranný obvod, aby sa zabránilo prehriatiu a prebíjaniu. Podobne počas vybíjacieho cyklu ochranný obvod obmedzuje rýchlosť vybíjania, aby napätie článku nekleslo príliš nízko.
• Tvarový faktor vs. kapacita: Hoci sa smartfóny stali plochejšími, veľkosť batérií sa zväčšila, aby sa zabezpečila ich vyššia kapacita. V dôsledku toho sa viac komponentov konsoliduje do SoC a na flexibilné dosky, aby sa uvoľnilo miesto pre rozmerovo väčšie batérie. Je žiaduce zvýšiť kapacitu bez zväčšenia fyzickej veľkosti batérie.
• Recyklovateľnosť: Nápor nových elektrických vozidiel, ktoré sa majú v blízkej budúcnosti uviesť do prevádzky, vyvoláva oprávnené vážne obavy týkajúce sa konca životnosti lítium-iónových batérií. Na zníženie energie potrebnej na recykláciu lítium-iónovej batérie môžu byť potrebné novšie materiály a štruktúry batérií.

Li-ion polymérové batérie poskytujú flexibilný tvarový faktor s konkurencieschopnou kapacitou a charakteristikami nabíjania/vybíjania. Novšie materiály môžu umožniť vyššiu bezpečnosť pri vyššom výkone a kapacite.

Pokrok v technológii batérií začína materiálmi

Najnovšie pokroky v technológii batérií sa zameriavajú na prechod od alkalickej chémie a chémie niklových kovov k lítiovej chémii. Nadchádzajúce pokroky v technológii batérií sa zameriavajú predovšetkým na materiály, ktoré riešia uvedené výzvy, a nie nevyhnutne na metódy a komponenty externého riadenia napájania. Ak sa pozriete na odvetvie batérií, existujú dve oblasti, v ktorých spoločnosti inovujú nové materiály: elektródy a elektrolyty.

Polopórovité anódové / katódové materiály

Polopórovité materiály poskytujú niektoré jedinečné výhody pri anódových a katódových materiáloch batérií, pokiaľ dokážu zabezpečiť nízky odpor a vysokú tepelnú vodivosť, z ktorých posledná rieši hlavný bezpečnostný problém pri batériách s vysokým výkonom/vysokou kapacitou pre elektrické vozidlá. Jedným z príkladov anódového materiálu je grafit potiahnutý uhlíkovými nanovláknami, ktorý možno ľahko začleniť do existujúcich anód pre lítium-iónové batérie. Pórovitá povaha tohto konkrétneho materiálu poskytuje väčšiu aktívnu plochu, ktorá umožňuje väčší tok náboja do / zo svorky anódy a väčšie uskladnenie Li-ion ako pevná grafitová elektróda.

Polovodičové batérie

Polovodičové batérie sú zaujímavé, pretože umožňujú nahradiť horľavý kvapalný elektrolyt nehorľavým pevným elektrolytom. V tejto oblasti je zaujímavé aj lítium, pretože by to umožnilo zachovať chemické vlastnosti týchto systémov. Začiatkom tohto roka spoločnosť Samsung oznámila vývoj plne pevnolátkovej lítium-iónovej batérie. Batéria spoločnosti Samsung využívala ako anódu kompozitný materiál striebro-uhlík, ktorý potláča rast dendritov z kovovej anódy. Tieto batérie zatiaľ nie sú komerčne dostupné, hoci je známe, že použitie pevných elektrolytov je bezpečnejšie v porovnaní s kvapalnými elektrolytmi používanými v dnešných komerčných batériách.

Spoločnosti ako Toyota, Nissan a spoločnosť Quantumscape podporovaná koncernom VW vytvárajú vlastné platformy pevnolátkových batérií pre elektrické vozidlá. Po komercializácii by tieto platformy mohli zmeniť pravidlá hry pre elektrické vozidlá, pretože by mohli ponúknuť dlhší dojazd v menšom balení bez dlhšieho času nabíjania. Tým sa pozornosť opäť sústredí na konštruktérov dosiek, aby vytvorili najlepšie systémy riadenia na podporu batériových platforiem vozidiel, ktoré sú bezpečné a majú najvyššiu možnú účinnosť.

Oddeľovacie materiály

Táto oblasť je stále predmetom vedeckého výskumu, keďže membrány separátorov musia byť vysoko odolné a porézne. V komerčných lítium-iónových batériách sa ako separátor používa polyolefín a akýkoľvek nový materiál separátora by mal umožňovať vysokú výmenu iónov bez toho, aby vytváral nadmerné teplo. Musí mať aj vysokú mechanickú pevnosť a chemickú stabilitu. Výskumníci stále skúmajú nové materiály separátorov, ktoré by spĺňali tieto požiadavky bez toho, aby došlo k výrazným zmenám v chemickom zložení batérií alebo elektrických charakteristikách.

Niektoré príklady materiálov oddeľovacích membrán. Zdroj obrázka

Prečo sa zamerať na používanie rovnakých materiálových platforiem, ktoré už boli komercializované? Súčasná chémia používaná v popredných priemyselných batériách (alkalická alebo lítiová chémia) bola dôkladne preskúmaná a kvalifikovaná z hľadiska bezpečnosti tak vládnymi regulačnými orgánmi, ako aj samotným priemyslom batérií. Po zmene triedy materiálov sa zmení aj chémia a rozsiahly proces hodnotenia sa začína odznova. Preto mnohí v odvetví váhajú s odchodom od existujúcich materiálových platforiem; investície a riziká sú nateraz príliš vysoké.

Zdroj : Samsung Internet Wikipedia Vlastné

Saslow, Wayne M. (1999), "Voltaic cells for physicists: Two surface pumps and an internal resistance", American Journal of Physics, 67 (7): 574,