Wszystko elektryczne: Dlaczego czysta przyszłość wymaga samochodów elektrycznych i nie tylko

Dlaczego chcemy, aby (prawie) wszystko było elektryczne? Ponieważ czyste reaktory jądrowe, panele słoneczne i turbiny wiatrowe wytwarzają energię elektryczną. Aby korzystać z tej czystej energii elektrycznej, musimy być w stanie zasilać transport i ogrzewanie energią elektryczną, a nie ropą czy gazem.

Przekształcanie energii elektrycznej w ciepło ma prawie 100% skuteczności. Jedyną rzeczą, która nas powstrzymuje, jest niewiarygodnie niska cena gazu. Dlatego musimy sprawić, by czysta energia elektryczna była tańsza. Pamiętajmy, że nie ma sensu używać energii elektrycznej zamiast gazu, jeśli energia elektryczna pochodzi z paliw kopalnych.

A więc co z transportem?

Baterie mogłyby zastąpić 71% paliw wykorzystywanych w transporcie!

Ale co z samochodami osobowymi, ciężarowymi, autobusami itp.? Samochody elektryczne już istnieją, a dzięki pewnej poprawie wydajności i żywotności baterii, elektryczne ciężarówki są również w zasięgu ręki. Na szczęście ten rodzaj transportu lądowego stanowi większość wszystkich emisji związanych z transportem.

Poprawa wydajności, żywotności i kosztów akumulatorów jest kluczowym elementem przejścia na transport elektryczny. Jeśli brzmi to dla Ciebie interesująco, czytaj dalej! Omówimy dość szczegółowo, jak działają współczesne akumulatory, a następnie przejdziemy do tego, jak mogą być ulepszone.

Czym są akumulatory?

Istnieje wiele rodzajów akumulatorów. Najpopularniejszym z nich jest obecnie tak zwany akumulator litowo-jonowy (Li-Ion). Jest on używany wszędzie, od twojego telefonu po samochody elektryczne. Mogą być one szybko ładowane i rozładowywane tysiące razy.

Najbardziej podstawowymi częściami akumulatora litowo-jonowego są:

1. Atomy litu, z których każdy może oddać elektron, aby stać się dodatnim jonem litu (stąd pochodzi słowo „akumulator litowo-jonowyu0022!).
2. Katoda - materiał, który przyciąga lit (to jest dodatnia strona akumulatora).
3. Anoda - materiał, który może przechowywać jony litu i elektrony, zwykle materiał zwany grafitem (jest to strona ujemna akumulatora).
4. Separator - ściana pomiędzy katodą i anodą. Jony litu mogą przez niego przechodzić, ale elektrony są zatrzymywane.
5. Elektrolit - materiał, w którym umieszczone są katoda i anoda. Nie ma on ładunku elektrycznego, więc nie reaguje z pozostałą częścią akumulatora i może być płynny lub stały.

Przyjrzyjmy się temu dokładniej.

Jak działa ładowanie?

Podsumowując, ładowanie polega na wykorzystaniu energii do przetłoczenia litu z dodatniej katody do ujemnej anody.

Kiedy pusty akumulator zostanie podłączony do innego źródła zasilania, elektron zostanie oderwany od każdego atomu litu i zacznie przepływać przez źródło zasilania od katody do anody.

Kiedy elektron jest odrywany od litu, pozostawia za sobą dodatnio naładowane jony litu. Te dodatnio naładowane jony są przyciągane do teraz ujemnie naładowanej anody zawierającej elektrony. W rezultacie jony przepływają przez separator do anody.

Grafit w anodzie działa jak chleb w kanapce, utrzymując jony litu i elektrony oddzielone pomiędzy swoimi warstwami do momentu rozładowania akumulatora. Jest to niestabilny stan - jony litu naprawdę chcą się połączyć ze swoimi elektronami.

Jak działa rozładowywanie?

Kiedy anoda i katoda są połączone kablem, jony litu przepływają z powrotem przez separator, podczas gdy elektrony wybierają drogę powrotną przez obwód zewnętrzny. W katodzie następuje ich rekombinacja i powrót do stanu stabilnego.

Kiedy elektrony przepływają z powrotem przez kabel, wytwarzają prąd elektryczny. Prąd ten może być wykorzystany do zasilania żarówki, twojego telefonu lub innych urządzeń!

Dlaczego lit?

Spośród wszystkich znanych nam pierwiastków, lit jest jednym z najbardziej skłonnych do oddawania elektronów. Inne materiały z kolei są stosunkowo bardziej skłonne do przyjmowania elektronów. Jest to w dużej mierze spowodowane ich konfiguracjami elektronowymi.

Dlaczego? Atomy zbudowane są z rdzenia (zwanego jądrem) i elektronów. Elektrony otaczają rdzeń w powłokach elektronowych. Atomy chcą, aby ich powłoki były „pełneu0022. Są nawet gotowe dzielić się swoimi elektronami z innymi atomami, aby to osiągnąć. Ta zasada leży u podstaw działania baterii.

Dla fluoru łatwiej jest przyłączyć jeden elektron, niż oddać siedem elektronów. Dla litu łatwiej jest oddać jeden.

Czy możemy ulepszyć akumulatory?

Jak już mówiliśmy, samochody elektryczne są już dostępne na rynku i użyteczne. Są one jednak wciąż stosunkowo drogie i zawsze dobrze jest mieć ulepszenia w wydajności. Co więcej, elektryczne samoloty, ciężarówki i statki nie są jeszcze dostępne. Czy moglibyśmy to umożliwić? Niektóre kluczowe aspekty, które naprawdę chcielibyśmy ulepszyć w akumulatorach, to:

Większość technologii ma swoje fizyczne ograniczenia. Na przykład, komercyjne panele słoneczne pochłaniają obecnie 20% światła słonecznego, które do nich dociera. Teoretycznie moglibyśmy zbudować panele słoneczne, które zbierają 100% światła słonecznego, które do nich dociera, ale oczywiście nigdy więcej niż 100%. To jest ograniczenie teoretyczne.

Zwiększenie liczby cykli ładowania, które wytrzymuje akumulator, nie ma oczywistego ograniczenia teoretycznego. A w rzeczywistości? Akumulatory wytrzymują obecnie tysiące cykli, ale najnowsze badania mogą to zwiększyć 2-3 krotnie. Przed nami ekscytujące czasy!

Ale co z ich wagą i rozmiarem?

Lżejsze i mniejsze akumulatory?

Nowoczesne akumulatory mogą zmieścić około 250 Wh energii w 1 kg akumulatora. Dla porównania, paliwa takie jak olej napędowy lub nafta mogą utrzymać 13 000 Wh/kg!

Jak możemy to ulepszyć? Zacznijmy od ograniczeń teoretycznych, aby sprawdzić, czy warto podejmować realne działania. Nie możemy celować wyżej niż w absolutnie najlepszy wynik, więc zawsze jest to dobry pierwszy krok!

Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest ciężar każdego elementu akumulatora:

Krok 1: Pozbądźmy się wszystkich „niepotrzebnychu0022 rzeczy. Wszystko poza katodą i anodą jest tam tylko po to, aby pomóc - w prawdziwym świecie tego potrzebujemy, ale w teorii nie. Zauważ, że masa litu jest wliczona w masę katody i anody.

Musimy zebrać gdzieś lit, ale to wszystko, do czego jest anoda.

Jeśli moglibyśmy zbudować akumulator bez części podtrzymujących i nieważkiej anody, moglibyśmy zmniejszyć masę do 41% obecnej masy akumulatora, co dałoby nam energię właściwą w wysokości 250/0,41 = 609 Wh/kg.

Jaka jest najlepsza możliwa katoda?

Chcemy wybrać materiały, które mają minimalną masę i silną siłę przyciągania litu.

Oto kilka materiałów, które są badane jako opcje dla lżejszych katod wraz z ich teoretyczną maksymalną energią właściwą:

Wygląda na to, że Lit-Powietrze może sprawić, że akumulatory będą tak lekkie jak benzyna!

Czy Li-S i Li-Powietrze są rzeczywiście możliwe?

Najpopularniejszym typem katody używanym obecnie jest tlenek litowo-kobaltowy (LiCoO₂). Jest on dość ciężki, ale działa. Dla kontrastu, „lepszeu0022 alternatywy, o których tutaj mówimy, są wciąż opracowywane.

Akumulatory litowo-siarkowe też już istnieją, ale jeszcze nie na masową skalę.

Akumulatory litowo-powietrzne są bardziej skomplikowane niż akumulatory Li-S, ale możliwe do wykonania. Tylko jeszcze nie wiemy, czy uda nam się sprawić, by działały na tyle dobrze, by były praktycznie użyteczne.

Prawdziwym hamulcem jest jednak to, że mówimy o liczbach teoretycznych. Jak pamiętasz, wyrzuciliśmy wszystkie komponenty poza katodą. Katoda stanowiła tylko 41% całkowitej masy, więc nawet jeśli osiągniemy teoretyczne minimum masy katody, pozostałe 59% masy dzisiejszego akumulatora nadal tam będzie. Oznacza to, że uzyskalibyśmy mniej niż dwukrotną poprawę, nawet jeśli katoda nic by nie ważyła!

Auć! Badania są trudne, ale dzięki ogromnej sile umysłu (i inwestycji), technologie te stają się coraz lepsze krok po kroku! Anody i materiały, które trzymają baterie razem również stają się coraz lżejsze, a naukowcy cały czas robią postępy.

Główny wniosek z tego jest taki: Możemy nigdy nie mieć akumulatora o takiej samej energii właściwej jak benzyna, ale moglibyśmy uzyskać akumulatory, które mieszczą ponad dwa razy, może nawet 3 do 5 razy więcej energii na kilogram niż dzisiejsze.

Jak sprawić, by elektryczne samochody i ciężarówki były tanie

Cena akumulatorów litowo-jonowych w ostatnich latach gwałtownie spadała i przewiduje się, że spadnie jeszcze bardziej.

Wynika to częściowo z innowacji, ale także ze skali. Obecnie budujemy znacznie więcej akumulatorów niż jeszcze kilka lat temu, a to pozwala branży na stosowanie masowych metod produkcji, dzięki którym cały proces jest tańszy. Firma Tesla, jeden z największych producentów akumulatorów na świecie, buduje ogromne fabryki, aby zwiększyć automatyzację i wydajność oraz obniżyć koszty.

Czy możemy użyć akumulatorów, aby rozwiązać problem magazynowania energii słonecznej i wiatrowej?

Dla transportu elektrycznego gęstość energii i energia właściwa mają duże znaczenie. Jednak w przypadku magazynowania na skalę sieciową znacznie ważniejsze są skalowalność i koszt. Dlaczego? Ponieważ musimy przechowywać bardzo dużo energii. Spójrzmy na liczby.

Chętnie zobaczylibyśmy niższą liczbę, ale niestety w tym miejscu się znajdujemy. 70 bilionów dolarów to ponad 80% całkowitego światowego PKB z 2018 roku. Oznacza to, że zbudowanie akumulatorów wystarczających do utrzymania energii elektrycznej o wartości jednego dnia dla całej kuli ziemskiej kosztowałoby 80% tego, ile wszystkie towary wyprodukowane w 2018 roku - wszystkie!

Akumulatory są niezwykle ważne dla elektryfikacji transportu, więc to, czego się tutaj nauczyłeś, jest nadal bardzo przydatne.

Ale nie zrezygnowaliśmy jeszcze z magazynowania na dużą skalę! Za dwa rozdziały przyjrzymy się kilku alternatywnym sposobom magazynowania energii. Najpierw jednak przyjrzyjmy się paliwu wodorowemu i sprawdźmy, w jaki sposób mogłoby ono zelektryfikować samoloty i statki, a być może także stać się alternatywą dla akumulatorów w samochodach.

 Podziel się opinią

https://climatescience.org/pl/advanced-energy-batteries/

Następny rozdział