Kuidas teha paremaid päikese- või tuuleenergia patareisid: põhjalik analüüs ja arutelu plii-happe ja liitiumioonide kohta
Taastuvate energiaallikate, nagu päike ja tuul, kasutamine on viimastel aastatel kiiresti kasvanud. Nende allikate üks peamisi puudusi on aga nende varieeruvus ja katkevus. Seetõttu on tõhusate ja kulutõhusate energiasalvestustehnoloogiate, eriti akude väljatöötamine ülioluline, et tagada nende laialdasema kasutuselevõtu ja võrku integreerimine. Erinevat tüüpi akude hulgas on kaks levinumat valikut plii-hape ja liitiumioon (Li-ion). Selles artiklis uurime neid kahte akutehnoloogiat ja arutame, kuidas neid tõhususe, vastupidavuse, ohutuse ja keskkonnamõju osas paremaks muuta.
Plii-happeakud
Pliiakud on olnud kasutusel üle sajandi ja neid kasutatakse endiselt laialdaselt erinevates rakendustes, sealhulgas elektrisõidukites (EV), statsionaarsetes energiasalvestussüsteemides ja varutoiteallikates. Pliiakude peamine eelis on nende madal hind ja kõrge töökindlus. Neil on ka suhteliselt pikk tsükli eluiga ja nad saavad hakkama suure tühjenemisega.
Teisest küljest on pliiakudel mitmeid piiranguid, mida tuleb parema jõudluse huvides arvesse võtta. Esiteks on need rasked ja mahukad, mis piirab nende liikuvust ja paindlikkust. Teiseks on neil madal energiatihedus, mis tähendab, et nad suudavad salvestada vaid piiratud koguse energiat kaalu- või mahuühiku kohta. Kolmandaks vajavad need regulaarset hooldust, näiteks kastmist ja tasandamist, mis võib olla tülikas ja aeganõudev. Lõpuks sisaldavad need mürgiseid ja söövitavaid materjale, nagu plii ja väävelhape, mis põhjustavad keskkonna- ja terviseriske, kui neid korralikult ei käidelda.
Nendest piirangutest ülesaamiseks on teadlased ja tootjad välja töötanud täiustatud pliiakusid, nagu imav klaasmatt (AGM), geel ja süsinikusisaldusega akud. Need akud kasutavad oma energiatiheduse, tsükli eluea, tõhususe ja ohutuse parandamiseks erinevaid tehnikaid. Näiteks AGM-akude puhul kasutatakse elektrolüüdi hoidmiseks klaaskiudmatti, mis vähendab mahavalgumise ohtu ja võimaldab suuremat tühjenemist. Geelakud kasutavad geelistatud elektrolüüti, mis välistab hoolduse vajaduse ja vähendab korrosiooniohtu. Süsinikuga akudes kasutatakse süsiniku lisandeid, et parandada juhtivust ja vähendada sulfatsiooni, mis pikendab nende eluiga ja võimaldab sügavamat tühjenemist.
Liitium-ioonakud
Liitium-ioonakud on pliiakudega võrreldes suhteliselt uued, kuid on kogunud populaarsust oma suure energiatiheduse ja vähese hoolduse tõttu. Neid kasutatakse tavaliselt kaasaskantavas elektroonikas, elektriautodes ja päikese-/tuulesüsteemides. Liitium-ioonakudel on pliiakude ees mitmeid eeliseid, sealhulgas:
1. Suur energiatihedus: liitiumioonakud suudavad salvestada rohkem energiat kaalu- või mahuühiku kohta kui pliiakud, mis tähendab, et need võivad olla kompaktsemad ja kergemad.
2. Madal isetühjenemine: liitiumioonakud võivad säilitada oma laengut pikema aja jooksul kui pliiakud, mis tähendab, et need võivad olla tõhusamad ja töökindlamad.
3. Kiire laadimine: liitiumioonakusid saab laadida kiiremini kui pliiakusid, mis tähendab, et neid saab kasutada sagedamini ja pikema aja jooksul.
4. Madal hooldus: liitiumioonakud ei vaja kastmist ega võrdsutamist, mis tähendab, et need võivad olla mugavamad ja kulutõhusamad.
Kuid liitiumioonakudel on ka mitmeid puudusi, millega tuleb tegeleda:
1. Ohutus: liitium-ioonakud võivad kuumeneda ja süttida, kui need on üle laetud, läbi torgatud või kõrgel temperatuuril kokku puutunud, mis võib põhjustada tõsiseid vigastusi ja kahjustusi.
2. Eluiga: liitiumioonakud võivad aja jooksul ja iga tsükliga laguneda, mis tähendab, et neid tuleb vahetada sagedamini kui pliiakusid.
3. Kulud: liitiumioonakud on endiselt kallimad kui pliiakud, kuigi nende hinnad on aastate jooksul langenud.
Liitiumioonakude paremaks muutmiseks keskenduvad teadlased ja tootjad järgmistele valdkondadele:
1. Ohutus: Liitium-ioonakude ohutuse parandamiseks töötatakse välja erinevaid tehnikaid, nagu näiteks mittesüttivate elektrolüütide kasutamine, ohutusfunktsioonide lisamine ning disaini- ja tootmisprotsesside optimeerimine. Näiteks on mõnel liitiumioonakudel keraamiline kate või tahkis-elektrolüüdid, mis vähendavad termilise äravoolu ohtu.
2. Vastupidavus: liitium-ioonakusid saab muuta vastupidavamaks, optimeerides keemiat ja elektroodi struktuuri, parandades jalgrattasõidu jõudlust, vähendades stressitegureid ja suurendades elektroodi paksust. Näiteks on mõnel liitiumioonakudel ränipõhised anoodid, mis suudavad salvestada rohkem energiat ja millel on pikem eluiga.
3. Jätkusuutlikkus: liitium-ioonakusid tuleb korralikult ringlusse võtta, et vähendada nende keskkonnamõju ja taastada väärtuslikke materjale, nagu koobalt ja liitium. Selle eesmärgi saavutamiseks töötatakse välja mitmeid ringlussevõtu tehnoloogiaid ja protsesse, nagu hüdrometallurgia, pürometallurgia ja otsene ringlussevõtt.
Järeldus
Kokkuvõtvalt võib öelda, et nii pliiakudel kui ka liitiumioonakudel on omad plussid ja miinused ning nende sobivus sõltub konkreetsest rakendusest ja nõuetest. Nende akude paremaks muutmiseks peame keskenduma nende tõhususe, vastupidavuse, ohutuse ja jätkusuutlikkuse parandamisele, vähendades samal ajal nende kulusid ja keskkonnamõju. Samuti peame jätkama investeerimist teadus- ja arendustegevusse ning edendama koostööd akadeemiliste ringkondade, tööstuse ja poliitikakujundajate vahel. Nende jõupingutustega saame kiirendada taastuvate energiaallikate kasutuselevõttu ning realiseerida puhtama, vastupidavama ja õiglasema energiatuleviku.