Ирээдүйн батерейны технологи: Юу хүлээж болох вэ?
Батерей нь орчин үеийн амьдралыг хөдөлгөгч “үл үзэгдэх хөдөлгүүр” болсон. Бидний гарт барьдаг гар утас, ажилдаа ашигладаг зөөврийн компьютер, зам дээр улам бүр түгээмэл болж буй цахилгаан тээврийн хэрэгсэл гээд бүх зүйл батерейг аюулгүй хадгалах, эрчим хүч дамжуулах чадвараас хамаардаг. Гэсэн хэдий ч өнөөгийн эрчим хүчний хэрэгцээ ердийн батерейны хүчин чадлаас илүү хурдан өсч байна. Тиймээс батерейны судалгаа сүүлийн арван жилд хурдацтай хурдассан бөгөөд зөвхөн батерейг томруулахаас гадна цэнэглэхэд хурдан, удаан эдэлгээтэй, аюулгүй, байгаль орчинд ээлтэй болгох зорилготой юм. Тэгэхээр батерейны технологийн ирээдүй ямар байх вэ, юуг бодитойгоор хүлээж болох вэ?
Бидэнд яагаад шинэ үеийн батерей хэрэгтэй вэ?
Өнөө үед ихэнх төхөөрөмжүүд лити-ион (Li-ion) батерей ашигладаг. Энэхүү технологи нь харьцангуй өндөр энергийн нягтрал, хэдэн зуун эсвэл хэдэн мянган удаа цэнэглэх чадвар, үйлдвэрлэлийн зардал тогтвортой буурч байгаа тул амжилттай болсон. Гэсэн хэдий ч Лити-ион нь хязгаарлалттай: түүхий эд (никель, кобальт, бал чулуу гэх мэт) нь нарийн төвөгтэй хангамжийн сүлжээтэй; хурдан цэнэглэх нь задралыг хурдасгадаг; улам бүр боловсронгуй болсон удирдлагын системүүд байгаа хэдий ч "дулааны алдагдал"-ын эрсдэл хэвээр байна; мөн түүний тодорхой энерги нь тодорхой загваруудын онолын хязгаарт ойртож байна.
Нөгөөтэйгүүр, тээврийн цахилгаанжуулалт болон сүлжээнд эрчим хүч хадгалах хэрэгцээ нь киловатт-цаг тутамд хямд, томоохон хэмжээний байршуулалтад аюулгүй, өргөн температурын хязгаарт ажиллах чадвартай, ховор эсвэл нийгэм-байгаль орчны асуудалтай материалаас хамааралгүй батерей шаардаж байна. Энэ нь шинэ үеийн батерейны янз бүрийн аргууд гарч ирэхэд түлхэц болж байна.
1) Хатуу төлөвт батерей: аюулгүй байдал болон эрчим хүчний нягтралын амлалт
Хамгийн их яригдаж буй нэр дэвшигчдийн нэг бол шингэн электролитийг (Лити-ионтой адил) хатуу электролитоор сольдог хатуу төлөвт батерей юм. Онолын хувьд хатуу электролит нь галын эрсдэлийг бууруулж, литийн металл анод ашиглах боломжийг олгож (энэ нь энергийн нягтралыг нэмэгдүүлэх боломжтой), мөн ажиллах температурын хүрээг өргөтгөж болно.
Гэсэн хэдий ч бэрхшээлүүд нь ихээхэн ач холбогдолтой юм. Электрод болон электролитийн хооронд тогтвортой хатуу-хатуу интерфейсийг бий болгох нь нарийн төвөгтэй: холбоо барих эсэргүүцэл нь гүйцэтгэлийг бууруулж, дендрит (электролитийг нэвтэрч чаддаг зүү хэлбэртэй бүтэц) үүсэх нь зарим загварт асуудал хэвээр байна. Цаашилбал, томоохон хэмжээний хатуу төлөвт үйлдвэрлэл нь шинэ процесс, шинэ тоног төхөөрөмж, илүү хатуу чанарын хяналт шаарддаг. Дараагийн хэдэн жилд хатуу төлөвт төхөөрөмжүүд анх дээд зэрэглэлийн эсвэл хязгаарлагдмал хэрэглээнд гарч ирсний дараа жинхэнэ гол урсгал болж хувирахыг бид харж магадгүй юм.
Юу хүлээж болох вэ: цахилгаан тээврийн хэрэгслийн хувьд илүү аюулгүй, хөнгөн батерей байх боловч өргөн хэрэглээ аажмаар явагдах төлөвтэй байна - хязгаарлагдмал үйлдвэрлэлээс эхэлж, үйлдвэрлэл хөгжихийн хэрээр нэмэгдэх болно.
2) Лити-хүхэр: хязгаарлагдмал ашиглалтын хугацаатай өндөр энерги
Лити-хүхэр (Li-S) батерейнууд нь хүхэр их хэмжээгээр агуулагддаг бөгөөд хямд байдаг тул сонирхол татахуйц бөгөөд онолын хувьд Li-ion-оос илүү өндөр энергийн нягтралтай байдаг. Энэ нь Li-S-ийг дрон, хөнгөн нисэх онгоц эсвэл тусгай төхөөрөмж зэрэг жинд мэдрэмтгий хэрэглээнд сонирхол татахуйц болгодог.
Li-S-ийн гол асуудал бол задрал юм. "Полисульфидын шаттл" гэж нэрлэгддэг үзэгдэл байдаг бөгөөд нэгдлүүд уусаж, хөдөлж, багтаамж болон үр ашгийн алдагдалд хүргэдэг. Цаашилбал, цэнэг/цэнэггүйжүүлэлтийн мөчлөгийн үед материалын эзэлхүүний өөрчлөлт нь электродын бүтцийг хурдан муутгахад хүргэдэг.
Юу хүлээж болох вэ: Li-S нь бага жин шаарддаг жижиг зах зээлд анх гарч ирэх боломжтой бөгөөд олон нийтийн зах зээлийн цахилгаан тээврийн хэрэгсэл нь мөчлөгийн тогтвортой байдалд нээлт хүлээж байна.
3) Натри-ион: хямд өртөгтэй ба нийлүүлэлтийн сүлжээний уян хатан чанар
Лити нь стратегийн бараа бүтээгдэхүүн болж байгаа тул анхаарал нь натрийн ион (Na-ион) батерей руу шилжиж байна. Натри нь литигээс хамаагүй элбэг бөгөөд өргөн тархсан тул зардлыг бууруулах, хангамжийн эрсдэлийг бууруулахад сонирхолтой болгодог. Na-ион нь мөн суурин эрчим хүчний хадгалалт болон дунд зэргийн цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд тохиромжтой байж болох юм.
Сул тал: Na-ион нь ерөнхийдөө Li-ion-оос бага энергийн нягтралтай байдаг. Энэ нь ижил хүрээний хувьд батерей нь том эсвэл хүнд байж болно гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч хотын тээврийн хэрэгсэл, цахилгаан мотоцикл эсвэл сүлжээний батерей гэх мэт тодорхой хэрэглээний хувьд энэхүү буулт нь хүлээн зөвшөөрөгдөхүйц юм, учир нь өртөг болон аюулгүй байдал нь илүү чухал юм.
Юу хүлээж болох вэ: Na-ион нь өртөг мэдрэмтгий сегментүүдэд илүү хурдан өсч байгаа бөгөөд бүрэн орлох биш харин Li-ионыг нөхөж болох юм.
4) LFP болон Li-ion-ийн хувьсал: инноваци гэдэг нь үргэлж "шинэ төрөл" гэсэн үг биш юм.
Батерейны ирээдүй гэдэг нь химийн бодисыг бүрэн орлох гэсэн үг биш юм. Өнөөдөр ч гэсэн Li-ion-ийн сайжруулалтаас олон дэвшил гарч байна. Үүний гол жишээ бол литийн төмрийн фосфат (LFP) юм: илүү аюулгүй, илүү циклд тэсвэртэй, ерөнхийдөө никель, кобальт ашигладаггүй тул хямд байдаг. Сул тал нь NMC/NCA (никель дээр суурилсан химийн бодис)-тай харьцуулахад энергийн нягтрал бага байдаг. Гэсэн хэдий ч батерейны дизайн, тээврийн хэрэгслийн аэродинамик, моторын үр ашгийг оновчтой болгох нь энэ зөрүүг арилгахад тусалж байна.
LFP-ээс гадна дараахь хөгжил дэвшил гарч байна.
– Хүчин чадлыг нэмэгдүүлэх цахиурын анод (хэдийгээр эзлэхүүнийг хөгжүүлэхэд тулгарч буй бэрхшээлүүд их хэвээр байгаа ч).
– Үйлчилгээний хугацааг уртасгах болон хурдан цэнэглэх зориулалттай электролитийн нэмэлтүүд.
– Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг багасгаж, орон зайн үр ашгийг нэмэгдүүлэх зорилгоор эсээс савлагаа руу / эсээс бие рүү чиглэсэн загвар.
Юу хүлээж болох вэ: Лити-ионы аажмаар боловч мэдэгдэхүйц сайжруулалт үргэлжилсээр байх бөгөөд шинэ технологиуд зах зээлд нэвтэрч эхэлснээс хойш дараагийн арван жилд зах зээлд ноёрхох магадлалтай.
5) Маш хурдан цэнэглэлт: энэ нь зөвхөн "том цэнэглэгч"-ийн тухай биш юм.
Олон хүн батерейны ирээдүйг цахилгаан тээврийн хэрэгслийг 5-10 минутын дотор цэнэглэх гэж төсөөлдөг. Энэ нь боломжтой боловч нарийн төвөгтэй. Хурдан цэнэглэх нь олон хүчин зүйлээс хамаардаг: батерейны химийн найрлага, температурын менежмент, электродын дизайн, сүлжээний чадавхи. Хэт цэнэглэх нь литийн бүрхүүлийн эрсдэлийг нэмэгдүүлж, батерейны ашиглалтын хугацааг бууруулдаг.
Шийдлүүдэд өндөр гүйдэлд илүү тэсвэртэй батерей, илүү бат бөх хөргөлтийн систем, ухаалаг цэнэглэх алгоритм (дасан зохицох гүйдэл-хүчдэлийн профайл), оргил ачааллыг даах чадвартай цахилгааны дэд бүтэц орно. Мөн бид батерейны урьдчилсан нөхцөлийг нэгтгэхийг харах болно: хурдан цэнэглэх эхлэхээс өмнө батерейг оновчтой температурт халааж эсвэл хөргөнө.
Юу хүлээж болох вэ: цэнэглэх хугацаа мэдэгдэхүйц сайжрах боловч "бензин шиг хурдан" гэсэн мэдэгдэл удахгүй бүх нийтийн стандартаас илүү тодорхой нөхцөл байдал, тээврийн хэрэгслийн онцлог шинж чанар болох магадлал өндөр байна.
6) Дахин боловсруулалт ба "хоёр дахь амьдрал": батерейг эдийн засгийн мөчлөг болгон ашиглах нь
Ирээдүйн батерей нь зөвхөн гүйцэтгэл төдийгүй тогтвортой байдалтай холбоотой юм. Энд хоёр том чиг хандлага байна:
1. Материалын дахин боловсруулалт: шинэ уурхайн хэрэгцээг бууруулахын тулд лити, никель, кобальт, зэс, хөнгөн цагаан, бал чулууг дахин боловсруулах. Гидрометаллурги болон шууд дахин боловсруулалтын процессыг илүү үр ашигтай, хэмнэлттэй болгохын тулд тасралтгүй хөгжүүлж байна.
2. Хоёр дахь ашиглалтын хугацаа: Батарейны багтаамж буурсан (жишээлбэл, 70–80% хүртэл) цахилгаан тээврийн хэрэгслийн батерей нь гэрийн нөөцлөлт, үйлдвэрлэлийн хэрэглээ эсвэл нарны эрчим хүчний тэнцвэржүүлэлт гэх мэт суурин эрчим хүч хадгалахад тохиромжтой хэвээр байж болно. Энэ нь батерейг эцсийн эцэст дахин боловсруулахаас өмнө эдийн засгийн үнэ цэнийг нэмэгдүүлдэг.
Юу хүлээж болох вэ: зохицуулалтууд нүүрстөрөгчийн ул мөр болон нийлүүлэлтийн сүлжээний ил тод байдлыг улам бүр шаардах тул дахин боловсруулалт нь зүгээр нэг сонголт биш, харин салбарын гол хэсэг болох болно.
7) Цахилгаан сүлжээнд зориулсан батерей: өөр өөр хэрэгцээ, өөр өөр ялагчид
Цахилгаан сүлжээний хувьд чухал зүйл бол килограмм тутамд ногдох эрчим хүчний нягтрал биш, харин кВт.ц тутамд ногдох өртөг, мөчлөгийн ашиглалтын хугацаа, аюулгүй байдал, засвар үйлчилгээний хялбар байдал юм. Энэ сегментэд натрийн ион, урсгалын батерей (жишээлбэл, ванадийн исэлдэн ангижрах), тэр ч байтугай цайр, төмөр дээр суурилсан батерей зэрэг технологиуд байр сууриа олж болно.
Жишээлбэл, урсгалын батерейнууд нь урт хугацааны хадгалалт болон өндөр мөчлөгийн ашиглалтын хугацааг сайн хангадаг, учир нь энерги нь тусдаа саванд электролитуудад хадгалагддаг. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийн хэмжээ, өртөг нь суурин суурилуулалтад илүү тохиромжтой болгодог.
Юу хүлээж болох вэ: олон төрлийн батерейнууд үйл ажиллагааныхаа дагуу зэрэгцэн орших бөгөөд бүх батерейд нэг л ялагч байхгүй - төрөлжилт байх болно.
Бид бодитоор юу хүлээж болох вэ?
Товчхондоо, ирээдүйн батерейны технологи нь гурван өргөн чиглэлд шилжих төлөвтэй байна: аюулгүй, хямд, илүү тогтвортой, мөн зай болон хурдан цэнэглэлт зэрэг гүйцэтгэлийн зорилтуудыг хэрэгжүүлэх. Дунд хугацаанд Li-ion (LFP болон өндөр никельтэй төрлүүдийг оруулаад) нь үйлдвэрлэлийн экосистем нь боловсорсон тул тэргүүлэгч хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч натрийн ион нь хямд өртөгтэй сегментийг нөхөх боломжтой бол хатуу төлөвт батерей нь үйлдвэрлэлийн бэрхшээлийг даван туулсны дараа дээд зэрэглэлийн тээврийн хэрэгсэл эсвэл тусгай хэрэгцээнд нэр дэвшигч юм.
Хэрэглэгчдийн хувьд хамгийн мэдэгдэхүйц өөрчлөлт нь ашигласан батерейны химийн найрлага биш, харин туршлага байж болох юм: илүү хямд үнэтэй цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, илүү хурдан бөгөөд тогтвортой цэнэглэлт, батерейны ашиглалтын хугацаа уртсах, аюулгүй байдлын мэдрэмж нэмэгдэх. Аж үйлдвэр болон засгийн газрын хувьд зөвхөн лабораторийн инноваци чухал биш, харин олноор үйлдвэрлэх, ёс зүйтэй материалын хангамжийг хангах, хэмнэлттэй дахин боловсруулах системийг бий болгох чадвар чухал юм.
Эцсийн дүнд ирээдүйн батерей нь ганц үсрэлт биш, харин хэд хэдэн нэмэлт хувьсал, нээлтүүдээр гарч ирэх болно. Энэ нь тохиолдоход түүний нөлөө нь төхөөрөмж, тээврийн хэрэгслээс хамаагүй илүү гарах бөгөөд батерей нь дэлхийн эрчим хүчний илүү цэвэр, илүү уян хатан систем рүү шилжих гол үндэс суурь болно.
