Twój następny akumulator może być wydrukowany na papierze

Zamieszanie w łańcuchu dostaw wydaje się być wszędzie, rozprzestrzeniając się od półprzewodników po różne towary. W obliczu fluktuacji cen surowców i zasobów naturalnych spowodowanych wydarzeniami geopolitycznymi, a także rosnącym zapotrzebowaniem na pojazdy elektryczne, świat może stanąć w obliczu niedoboru litu do 2025 roku (zgodnie z oceną Międzynarodowej Agencji Energii). W obliczu rosnącego zapotrzebowania na lit, badacze z akademii i przemysłu poszukiwali alternatywnych materiałów do baterii, aby pokonać te wyzwania.

Jednym z najciekawszych rozwiązań zostało opracowane przez badaczy ze Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Nauk o Materiałach i Technologii (Empa). Wyniki badań zostały opublikowane w ostatnim numerze Nature. Ogłosili oni innowacyjny materiał do baterii aktywowany wodą, który można drukować na arkuszu papieru. Teoretycznie, ten elektrochemicznie aktywny materiał mógłby być drukowany na dowolnym podłożu, takim jak elastyczny izolator, na przykład plastik.

Chociaż nikt nie sugeruje użycia baterii papierowych do pojazdów elektrycznych, materiał może generować napięcie do 1,2 V w pojedynczej celi (porównywalne z chemią baterii Ni-MH). Dlatego stosy tego typu materiału mogłyby być używane jako małe, jednorazowe baterie do elektroniki przenośnej lub innych małych urządzeń. To nie jest magiczne rozwiązanie na niedobory litu, ale te alternatywne materiały mogłyby pozwolić na przekierowanie litu do znacznie bardziej krytycznych obszarów, takich jak pojazdy elektryczne (EV).

Materiał do baterii na bazie tuszu

Materiał opracowany przez badaczy z Empa to w rzeczywistości warstwowy materiał na bazie węgla, który zawiera grafit, czarny węgiel, cynk jako anodę i sól. Chemia na bazie węgla i soli może być aktywowana przez zastosowanie wody, jak opisano poniżej. Struktura warstwowa tego materiału do baterii jest pokazana na poniższej grafice.

Górna i dolna warstwa z grafitu + czarny węgiel działają jako aktywne warstwy, które uczestniczą w elektrochemicznej reakcji baterii. Kiedy są pokryte solą i wystawione na działanie wody, wynikająca reakcja elektrochemiczna może powodować przepływ prądu przez podłączony obwód.

To konkretne odkrycie nie jest jeszcze gotowym systemem, jest tylko demonstracją nowej chemii, która jest w stanie wytworzyć wystarczająco dużo energii do zasilania małej elektroniki. Wydajność energetyczna, kompatybilna z bateriami Ni-MH i alkalicznymi, pokazuje, że materiał jest wykonalny z elektrochemicznego punktu widzenia. Aspekt komercyjny to inna sprawa, którą omówię poniżej.

Czy zatem jest to zamiennik dla standardowych chemii baterii, z którymi wszyscy jesteśmy zaznajomieni? Prawdopodobnie nie, ale materiały węglowe są używane w chemiach na bazie Li jako materiał anodowy, zapewniając kilka korzyści dla zelektryfikowanych systemów.

Alternatywne materiały atrakcyjne, ale wymagające czasu

Chociaż alternatywne materiały do baterii mające na celu całkowite zastąpienie istniejących chemii (w tym litu) są przedmiotem bieżących badań, ta droga ma długą perspektywę, a ścieżka do komercjalizacji jest pełna ryzyka. Dlatego przemysł materiałów do baterii skupił się na ulepszeniach projektu baterii, w tym na użyciu podobnych materiałów, które poprawiają działanie baterii bez zmiany chemii w bateriach.

Dlaczego powinniśmy interesować się zmianami w chemii baterii? Z perspektywy zrównoważonego rozwoju i zapewnienia, że zapotrzebowanie na elektryfikację może być spełnione, poszukiwanie alternatywnej chemii, która będzie porównywalna z litową, jest atrakcyjną drogą. Problem pojawia się przy komercjalizacji: chemie oparte na Li i inne chemie oparte na metalach są dobrze zrozumiane i zostały już zakwalifikowane z punktu widzenia bezpieczeństwa. To sprawia, że budowanie na podstawie fundamentalnych chemii Li jest atrakcyjną opcją z punktu widzenia ryzyka i odpowiedzialności. Jeśli zostanie opracowana nowa chemia i pojawi się ścieżka do komercjalizacji, nowa chemia będzie musiała wykazać pewien poziom zgodności regulacyjnej oraz dowód niezawodności dla klientów.

Z tych powodów, ostatnie skupienie wśród twórców materiałów do baterii w przemyśle było na użyciu materiałów węglowych do stopniowych ulepszeń w istniejących projektach baterii. Projektanci baterii mogą wykorzystać istniejącą wiedzę na temat produkcji, testowania i kontroli jakości baterii w tych nowych projektach baterii, nadal otrzymując korzyści z chemii opartej na węglu.

Niektóre z głównych korzyści z użycia materiałów węglowych w istniejących chemiach baterii obejmują:

Jednym z głównych materiałów węglowych rozwijanych w celu ulepszenia baterii Li-ion jest funkcjonalizowany grafit, który może być łatwo produkowany i używany do budowy anod dla systemów baterii Li-ion. Innym materiałem węglowym są nanorurki węglowe, które korzystają z ich wysokiego balistycznego transportu ładunku wzdłuż kierunku osiowego. Gdy są włączone do systemów baterii, te materiały oferują większe szybkości ładowania/rozładowania i pojemności w już niezawodnej chemii baterii.

W miarę jak więcej tych systemów baterii wchodzi na rynek i projektanci mogą włączać je do swoich systemów, upewnij się, że używasz zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart, aby znaleźć wszystkie zaawansowane komponenty potrzebne do zelektryfikowanych systemów. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, będziesz miał dostęp do aktualnych danych cenowych dystrybutorów, zapasów części i specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.