Baru-baru ini, kita
berbicara tentang sejarah penemuan baterai lithium-ion, yang memberikan dorongan kuat untuk pengembangan elektronik portabel. Setiap tahun, media teknologi memberi tahu kami tentang revolusi energi yang akan datang - hanya sedikit, satu atau dua tahun lagi, dan dunia akan melihat baterai dengan karakteristik yang fantastis. Seiring berjalannya waktu, dan revolusi tidak terlihat, di ponsel kami, laptop, quadrocopters, kendaraan listrik dan jam tangan pintar, berbagai modifikasi baterai lithium-ion masih terpasang. Jadi ke mana perginya semua baterai inovatif dan adakah alternatif untuk Li-Ion?
Kapan harus menunggu revolusi baterai?
Sayang sekali mengecewakan Anda, tetapi itu sudah berlalu. Itu hanya membentang selama beberapa dekade dan karena itu tetap hampir tanpa disadari. Faktanya adalah bahwa penemuan baterai lithium-ion adalah puncak dari evolusi baterai kimia.
Sumber arus kimia didasarkan pada reaksi redoks antar unsur. Dalam tabel periodik hanya ada 90 elemen alami yang dapat berpartisipasi dalam reaksi tersebut. Jadi, lithium ternyata merupakan logam dengan karakteristik ekstrem: massa terendah, potensial elektroda terendah (-3,05 V) dan beban arus tertinggi (3,83 A · h / g).
Lithium adalah zat aktif katoda terbaik di Bumi. Menggunakan elemen lain dapat meningkatkan satu karakteristik dan pasti memperburuk yang lain. Itulah sebabnya percobaan dengan baterai lithium telah berlangsung selama 30 tahun sekarang - dengan menggabungkan bahan, di antaranya selalu ada lithium, para peneliti menciptakan jenis baterai dengan karakteristik yang tepat yang menemukan aplikasi yang sangat sempit. Baterai tua yang baik dengan katoda lithium cobalt oxide, yang datang kepada kita dari tahun 80-an abad lalu, masih dapat dianggap yang paling umum dan universal karena kombinasi yang sangat baik dari tegangan, beban saat ini dan kepadatan energi.
Karena itu, ketika startup berikutnya melalui mulut media dengan keras menjanjikan revolusi energi dunia dari hari ke hari, para ilmuwan tidak banyak bicara tentang fakta bahwa baterai baru memiliki beberapa masalah dan keterbatasan yang belum dapat dipecahkan. Mereka biasanya tidak dapat diselesaikan.
Masalah utama baterai "revolusioner"
Saat ini, ada banyak jenis baterai dengan komposisi kimia yang berbeda, termasuk tanpa menggunakan lithium. Setiap jenis dengan karakteristiknya sendiri telah menemukan penerapannya dalam jenis teknologi tertentu. Baterai lithium-cobalt yang ringan, tipis, dan bertegangan tinggi telah lama ditentukan dalam smartphone ringkas. Baterai lithium-titanate yang kuat, kuat, tetapi sangat besar cocok untuk transportasi umum. Dan sel lithium fosfat tahan api berkapasitas rendah digunakan sebagai susunan besar pada pembangkit listrik.
Tapi tetap saja, baterai lithium-kobalt untuk peralatan seluler konsumen yang paling diminati. Kriteria utama yang mereka penuhi adalah tegangan tinggi 3,6 V sambil mempertahankan intensitas energi tinggi per satuan volume. Sayangnya, banyak jenis baterai lithium alternatif memiliki tegangan yang jauh lebih rendah - di bawah 3,0 V dan bahkan lebih rendah dari 2,0 V - dari mana tidak mungkin untuk menyalakan smartphone modern.
Turunnya salah satu karakteristik dapat dikompensasi dengan menggabungkan baterai ke dalam sel, tetapi kemudian dimensi tumbuh. Jadi jika baterai menjanjikan berikutnya dengan karakteristik ajaib tidak cocok untuk digunakan pada peralatan bergerak atau kendaraan listrik, masa depannya hampir dijamin akan ditentukan sebelumnya. Mengapa kita membutuhkan baterai dengan masa pakai 100 ribu siklus dan pengisian cepat, dari mana Anda hanya bisa menggunakan jam tangan dengan tangan?
Eksperimen yang gagal
Tidak semua baterai yang dijelaskan di bawah ini dapat dianggap tidak berhasil - beberapa memerlukan pengembangan yang sangat lama, beberapa mungkin menemukan aplikasi mereka tidak di smartphone, tetapi di peralatan khusus. Namun demikian, semua perkembangan ini diposisikan sebagai pengganti baterai lithium-ion di smartphone.
Pada 2007, Leyden Energy, perusahaan rintisan Amerika, menerima investasi $ 4,5 juta dari beberapa dana modal ventura untuk menciptakan, seperti yang mereka klaim,
generasi baru baterai lithium-ion . Perusahaan menggunakan elektrolit baru (Solvent-in-Salt) dan katoda silikon, yang secara signifikan meningkatkan intensitas energi dan ketahanan terhadap suhu tinggi hingga 300 ° C. Upaya untuk membuat baterai laptop berdasarkan pengembangan gagal, sehingga Leyden Energy bergeser ke pasar mobil listrik.
Meskipun pemasukan konstan dari puluhan juta dolar, perusahaan itu tidak dapat membangun produksi baterai dengan karakteristik stabil - indikator melayang dari salinan ke salinan. Jika perusahaan memiliki lebih banyak waktu dan pembiayaan, mungkin pada tahun 2012 tidak perlu menjual peralatan, paten, dan pergi di bawah sayap perusahaan energi lain, A123 Systems.
Baterai logam lithium bukan barang baru: mereka termasuk baterai lithium yang tidak dapat diisi ulang. SolidEnergy telah menetapkan untuk membuat sel logam lithium yang dapat diisi ulang. Produk baru memiliki dua kali lipat intensitas energi dibandingkan dengan baterai lithium-cobalt. Artinya, dalam volume sebelumnya adalah mungkin untuk memasukkan energi dua kali lebih banyak. Alih-alih grafit tradisional di katoda, mereka menggunakan kertas logam lithium. Sampai saat ini, baterai logam lithium sangat meledak karena pertumbuhan dendrit (tumbuh di anoda dan katoda dari formasi logam kayu), yang menyebabkan korsleting, tetapi penambahan belerang dan fosfor ke elektrolit membantu menyingkirkan dendrit (meskipun SolidEnergy belum memiliki teknologi ) Selain harga yang sangat tinggi, di antara masalah yang diketahui dari baterai SolidEnergy adalah biaya yang lama - 20% dari kapasitas per jam.
Perbandingan ukuran baterai lithium-logam dan lithium-ion dengan kapasitas yang sama. Sumber: Sistem SolidEnergy
Pekerjaan aktif pada
elemen sulfur-magnesium dimulai pada 2010-an, ketika Toyota mengumumkan penelitian di bidang ini. Anoda dalam baterai tersebut adalah magnesium (baik, tetapi tidak setara dengan analog lithium), katoda terdiri dari sulfur dan grafit, dan elektrolit adalah larutan garam biasa NaCl. Masalah dengan elektrolit adalah ia menghancurkan belerang dan membuat baterai tidak berfungsi, jadi Anda harus segera mengisi elektrolit sebelum digunakan.
Insinyur Toyota menciptakan elektrolit dari partikel non-nukleofilik, tidak agresif menjadi sulfur. Ternyata, baterai yang stabil masih tidak dapat digunakan untuk waktu yang lama, karena setelah 50 siklus kapasitasnya turun hingga setengahnya. Pada 2015, aditif lithium-ion diintegrasikan ke dalam baterai, dan setelah dua tahun, elektrolit diperbarui, menjadikan masa pakai baterai menjadi 110 siklus. Satu-satunya alasan yang terus bekerja pada baterai muram adalah intensitas energi teoretis yang tinggi (1722 Wh / kg). Tetapi mungkin ternyata pada saat prototipe yang berhasil muncul, elemen magnesium-sulfur tidak lagi dibutuhkan.
Generasi bukannya penyimpanan energi
Beberapa peneliti mengusulkan untuk pergi dari yang sebaliknya: jangan menyimpan, tetapi menghasilkan energi langsung di perangkat. Mungkinkah mengubah smartphone menjadi pembangkit listrik kecil? Selama dekade terakhir, ada beberapa upaya untuk menghilangkan gadget dari kebutuhan untuk mengisi ulang melalui listrik. Menilai dari bagaimana kami menagih smartphone sekarang, upaya itu tidak berhasil - mari kita ingat penemuan yang paling "sukses".
Methanol Direct Decomposition Fuel Cell (DFMC). Upaya untuk memperkenalkan sel bahan bakar metanol ke dalam teknologi seluler dimulai pada pertengahan 2000-an. Pada saat ini, hanya ada transisi dari ponsel tombol-tahan lama untuk smartphone dengan layar besar - baterai lithium-ion berlangsung selama maksimal dua hari, sehingga gagasan pengisian ulang instan tampak sangat menarik.
Dalam sel bahan bakar, metanol pada membran polimer, yang bertindak sebagai elektrolit, dioksidasi menjadi karbon dioksida. Proton hidrogen berpindah ke katoda, bergabung dengan oksigen dan membentuk air. Nuansa: reaksi yang efektif membutuhkan suhu sekitar 120 ° C, tetapi dapat diganti dengan katalis platinum, yang secara alami mempengaruhi biaya elemen.
Ternyata tidak mungkin memasukkan sel bahan bakar ke dalam kotak telepon: ruang bahan bakar ternyata terlalu keseluruhan. Oleh karena itu, pada akhir tahun 2000-an, gagasan DFMC terbentuk dalam bentuk baterai portabel (power bank). Pada 2009, Toshiba meluncurkan bank daya metanol serial bernama Dynario. Beratnya 280 g dan menyerupai baterai portabel modern dengan ukuran 30.000 mAh, artinya seukuran telapak tangan. Harga Dynario di Jepang adalah $ 328 mengesankan dan $ 36 untuk satu set lima botol 50 ml metanol masing-masing. Satu "pengisian bahan bakar" membutuhkan 14 ml, volumenya sudah cukup untuk dua kali pengisian tombol telepon melalui USB dengan arus 500 mA.
Video pengisian dan operasi Toshiba Dynario
Hal-hal tidak melampaui rilis batch eksperimental 3.000 eksemplar, karena bank tenaga bahan bakar ternyata terlalu kontroversial: mahal dalam dirinya sendiri, dengan bahan habis pakai yang mahal dan biaya tinggi satu biaya telepon (sekitar $ 1 untuk tombol-tekan). Selain itu, metanol beracun dan di beberapa negara memerlukan lisensi untuk menjual dan bahkan membeli.
Panel surya transparan. Panel surya adalah solusi yang sangat baik untuk ekstraksi energi Matahari yang tak berujung (di abad kita). Panel seperti itu memiliki efisiensi rendah dengan biaya tinggi dan daya terlalu rendah, sementara mereka adalah cara termudah untuk menghasilkan listrik. Tetapi impian nyata umat manusia adalah panel surya transparan, yang bisa dipasang sebagai pengganti kaca di jendela rumah, mobil dan rumah kaca. Jadi bisa dikatakan, gabungkan bisnis dengan kesenangan - pembangkit listrik dan pencahayaan alami ruang. Berita baiknya adalah panel surya transparan ada. Yang buruk adalah bahwa mereka praktis tidak berguna.
Pengembang dan University of Michigan menampilkan panel transparan tanpa bingkai. Sumber: YouTube / Universitas Negeri Michigan
Untuk "menangkap" foton cahaya dan mengubahnya menjadi listrik, panel surya, pada prinsipnya, tidak dapat transparan, tetapi bahan transparan baru dapat menyerap radiasi UV dan IR, mengubah segala sesuatu menjadi rentang inframerah dan memindahkannya ke tepi panel. Di tepi panel transparan, panel photovoltaic silikon biasa dipasang sebagai bingkai, yang menangkap cahaya yang diekstraksi dalam rentang inframerah dan menghasilkan listrik. Sistem ini bekerja, hanya dengan efisiensi 1-3% ... Efisiensi rata-rata panel surya modern adalah 20%.
Terlepas dari efektivitas solusi yang meragukan, produsen jam tangan terkenal TAG Heuer pada tahun 2014 mengumumkan tag telepon premium Tag Heuer Meridiist Infinite, di mana panel surya transparan yang diproduksi oleh Wysis dipasang di bagian atas layar. Bahkan selama pengumuman solusi untuk smartphone, Wysis menjanjikan kekuatan pengisian tenaga surya sekitar 5 mW dengan layar 1 cm2, yang sangat kecil. Misalnya, ini hanya 0,4 W untuk layar iPhone X. Mengingat bahwa adaptor lengkap dari ponsel cerdas Apple dimarahi karena daya rendah 5 W, jelas bahwa Anda tidak dapat mengisi daya dengan daya 0,4 W.
Ngomong-ngomong, itu tidak bekerja dengan metanol, tetapi sel bahan bakar hidrogen menerima tiket untuk hidup, menjadi dasar dari mobil listrik Toyota Mirai dan pembangkit listrik mobile Toshiba.
Dan apa yang terjadi: percobaan yang sukses dengan Li-Ion
Keberhasilan diraih oleh mereka yang tidak tergesa-gesa mengubah dunia dengan biaya berapa pun, tetapi hanya bekerja pada peningkatan karakteristik baterai individu. Mengubah bahan katoda sangat memengaruhi tegangan, intensitas energi, dan usia baterai. Selanjutnya, kita akan berbicara tentang perkembangan yang biasa, yang sekali lagi mengkonfirmasi universalitas teknologi lithium-ion - untuk setiap pengembangan "revolusioner" ada analog yang lebih efisien dan lebih murah yang ada.
Lithium cobalt (LiCoO2, atau LCO). Tegangan operasi: 3,6 V, konsumsi energi hingga 200 W · h / kg, masa pakai hingga 1000 siklus. Graphite anode, lithium cobalt oxide cathode, baterai klasik yang dijelaskan di atas. Kombinasi ini paling sering digunakan dalam baterai untuk peralatan bergerak, di mana konsumsi energi yang tinggi per satuan volume diperlukan.
Lithium Mangan (LiMn2O4, atau LMO). Tegangan pengoperasian: 3,7 V, konsumsi energi hingga 150 W · h / kg, masa pakai hingga 700 siklus. Komposisi alternatif efektif pertama dikembangkan bahkan sebelum dimulainya penjualan baterai lithium-ion. Di katoda, lithium-mangan spinel digunakan, yang memungkinkan untuk mengurangi resistansi internal dan secara signifikan meningkatkan arus keluaran. Baterai lithium-mangan digunakan dalam menuntut peralatan saat ini, seperti alat-alat listrik.
Lithium-nikel-mangan-kobal (LiNiMnCoO2, atau NMC). Tegangan pengoperasian: 3,7 V, konsumsi energi hingga 220 W · h / kg, masa pakai hingga 2000 siklus. Kombinasi nikel, mangan, dan kobalt ternyata sangat sukses, baterainya meningkatkan intensitas energi dan kekuatan arus yang diberikan. Dalam "bank" yang sama, kapasitas 18650 naik menjadi 2800 mAh, dan arus output maksimum mencapai 20 A. Baterai NMC dipasang di sebagian besar kendaraan listrik, kadang-kadang menipiskannya dengan sel lithium-mangan, karena baterai tersebut memiliki umur yang panjang.
Mobil listrik baterai NMC baru Nissan Leaf menurut perhitungan pabrikan akan hidup 22 tahun. Baterai LMO sebelumnya memiliki kapasitas lebih sedikit dan lebih cepat habis. Sumber: Nissan
Lithium iron phosphate (LiFePO4, atau LFP). Tegangan operasi: 3,3 V, konsumsi energi hingga 120 W · h / kg, masa pakai hingga 2000 siklus. Ditemukan pada tahun 1996, komposisi ini membantu meningkatkan arus listrik dan meningkatkan masa pakai baterai lithium-ion hingga 2.000 muatan. Baterai lithium-fosfat lebih aman daripada pendahulunya, lebih baik menahan pengisian yang berlebihan. Itu hanya intensitas energi mereka yang tidak cocok untuk peralatan bergerak - ketika tegangan dinaikkan menjadi 3,2 V, intensitas energi berkurang setidaknya setengah relatif terhadap komposisi lithium-kobalt. Tetapi di sisi lain, LFP menunjukkan self-discharge lebih sedikit dan ada daya tahan khusus terhadap suhu rendah.
Array sel lithium fosfat dengan total kapasitas 145,6 kWh. Array tersebut digunakan untuk menyimpan energi dengan aman dari panel surya. Sumber: Yo-Co-Man / Wikimedia
Lithium nickel-cobalt-aluminium oxide (LiNiCoAlO2, atau NCA). Tegangan operasi: 3,6 V, konsumsi daya hingga 260 W · h / kg, masa pakai hingga 500 siklus. Sangat mirip dengan baterai NMC, ia memiliki konsumsi daya yang sangat baik, cocok untuk sebagian besar peralatan dengan tegangan nominal 3,6 V, tetapi biaya tinggi dan kehidupan yang sederhana (sekitar 500 siklus pengisian daya) tidak memungkinkan baterai NCA mengalahkan pesaing. Sejauh ini, mereka hanya digunakan pada beberapa kendaraan listrik.
Pertempuran Mahakudus - Sel baterai listrik Tesla Model S NCA
Lithium titanate (Li4Ti5O12, atau SCiB / LTO). Tegangan pengoperasian: 2.4 V, konsumsi energi hingga 80 W · h / kg, masa pakai hingga 7.000 siklus (SCiB: hingga 15.000 siklus). Salah satu jenis baterai lithium-ion yang paling menarik di mana anoda terdiri dari nanocrystals lithium titanate. Kristal membantu meningkatkan luas permukaan anoda dari 3 m2 / g dalam grafit menjadi 100 m2 / g, yaitu lebih dari 30 kali! Baterai lithium-titanate mengisi hingga kapasitas penuh lima kali lebih cepat dan menghasilkan arus sepuluh kali lebih tinggi daripada baterai lainnya. Namun, baterai lithium-titanate memiliki nuansa tersendiri yang membatasi ruang lingkup baterai. Yakni, tegangan rendah (2,4 V) dan konsumsi energi 2-3 kali lebih rendah dari baterai lithium-ion lainnya. Ini berarti bahwa untuk mencapai kapasitas yang sama, baterai lithium-titanate harus ditingkatkan beberapa kali, itulah mengapa Anda tidak dapat memasukkannya ke dalam smartphone yang sama.
Modul Toshiba SCiB dengan kapasitas 45 Ah, tegangan pengenal 27,6 V dan arus keluaran 160 A (pulsa hingga 350 A). Beratnya 15 kg dan ukuran kotak sepatu: 19x36x12 cm. Sumber: Toshiba
Tetapi baterai lithium-titanate segera memasuki transportasi, di mana pengisian cepat, arus tinggi selama akselerasi dan ketahanan terhadap dingin adalah penting. Misalnya, mobil listrik Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV dan di bus listrik Moskow! Pada awal proyek, bus Moskow menggunakan jenis baterai yang berbeda, yang menyebabkan masalah bahkan di tengah-tengah jalur pertama di sepanjang rute, tetapi setelah memasang baterai lithium-titanate Toshiba, tidak ada lagi pesan tentang bus listrik yang kosong. Baterai Toshiba SCiB, berkat penggunaan titanium-niobium di anoda, memulihkan hingga 90% kapasitas hanya dalam 5 menit - waktu yang diizinkan bagi bus untuk parkir di halte terakhir, di mana terdapat stasiun pengisian daya. Jumlah siklus pengisian yang dapat ditahan oleh baterai SCiB melebihi 15.000.
Uji kebocoran baterai lithium litium titanate. Apakah akan terbakar atau tidak?
Singularitas energi
Selama lebih dari setengah abad, umat manusia telah bermimpi memasukkan energi atom ke dalam baterai, yang akan menyediakan listrik selama bertahun-tahun. Faktanya, pada tahun 1953, unsur betavoltaic ditemukan, di mana, sebagai akibat peluruhan beta dari isotop radioaktif, elektron mengubah atom semikonduktor menjadi ion, menciptakan arus listrik. Baterai seperti itu digunakan, misalnya, pada alat pacu jantung.
Bagaimana dengan smartphone? Sejauh ini, kekuatan elemen atom dapat diabaikan, diukur dalam miliwatt dan bahkan microwatt. Anda dapat membeli baterai seperti itu bahkan di toko online, namun, bahkan jam tangan yang terkenal tidak akan berfungsi darinya.
Berapa lama menunggu baterai atom? Tolong, City Labs P200 - 2.4 V, 20 tahun layanan, bagaimanapun, kekuatannya hingga 0,0001 W dan harganya sekitar $ 8000. Sumber: Lab Kota
Lebih dari 10 tahun telah berlalu sejak penemuan baterai lithium-ion yang stabil hingga dimulainya produksi massal mereka. Mungkin salah satu berita terbaru tentang sumber daya terobosan akan menjadi ramalan, dan pada tahun 2030-an kita akan mengucapkan selamat tinggal pada lithium dan kebutuhan untuk pengisian daya ponsel setiap hari. Tetapi untuk saat ini, baterai lithium-ionlah yang menentukan kemajuan di bidang elektronik dan kendaraan listrik yang dapat dipakai.