Jauna tipa baterijas sola atrisināt trīs svarīgas litija akumulatoru nepilnības
Foto: TU Wein

Šobrīd gandrīz visur – lielākās un mazākās portatīvajās viedierīcēs un datoros, bezvadu austiņās, elektroinstrumentos, sadzīves tehnikā un arī elektrodzinēju spēkratos – tiek izmantotas litija jonu baterijas. Tām ir daudz plusu, ne velti tas ir industrijas standarts jau gadiem ilgi. Tomēr ir arī mīnusi, un tāpēc viens no nākamajiem lielajiem izrāvieniem tehnoloģiju jomā varētu būt tieši jauna tipa baterijas. Pie tā strādā daudzas materiālzinātnieku komandas visā pasaulē, un pētnieki no Vīnes Tehniskās universitātes piedāvā savu risinājumu – skābekļa jonu baterijas.

close-ad
Saturs turpināsies pēc reklāmas
Reklāma

Litija jonu bateriju nozīmi ir grūti novērtēt par augstu. Ne velti 2019. gadā Akiram Jošino un Džonam Gudinafam par viņu ieguldījumu šīs bateriju tehnoloģijas attīstībā piešķirta Nobela prēmija ķīmijā. Tām ir labs enerģijas blīvums (cik daudz enerģijas iespējams uzglabāt noteiktā tilpuma vienībā). Atkarībā no dažādām niansēm, litija jonu baterijā uz vienu litru materiāla var uzglabāt no 250 līdz pat 670 vatstundām. Arī pašizlāde nav tik liela problēma kā, piemēram, niķeļa-kadmija baterijām. Pirmajā diennaktī pēc uzlādēšanas litija jonu baterija zaudē aptuveni piecus procentus no lādiņa, bet pēc tam vien vienu līdz divus procentus mēnesī. Tās var būt arī ļoti kompaktas un darboties temperatūras diapazonā, kas piemērota ikdienas elektronikai. Kādi tad ir mīnusi?

Pirmkārt, litija ieguve. Tas nav uzskatāms par retu ķīmisko elementu, taču dabā brīvā veidā nav sastopams, jo spēcīgi reaģē ar ūdeni un skābekli. Dažas no visplašāk izmantotajām litija ieguves metodēm ir resursu un laikietilpīgas. Piemēram, vienas no bagātīgākajām litija atradnēm ir nabadzīgajā Bolīvijā. Tur litiju iegūst, no pazemes rezervuāriem sūknējot un novadot sālsūdeni tilpēs, kur tas pamazām iztvaiko, atstājot arvien koncentrētāku šķīdumu. Procesā tam tiek pievienota dzēsto kaļķu un ūdens masa, kas palīdz no šķīduma iztvaikot arī tādiem elementiem kā magnijs un bors. Kad litija koncentrācija šķīdumā sasniegusi noteiktu līmeni, to attīra no citiem nevēlamiem elementiem un ar ķīmiskās apstrādes palīdzību ekstrahē litiju. Litija ieguve no minerāliem ir enerģijas patēriņa ziņā vēl "ēdelīgāks" process.

Jauna tipa baterijas sola atrisināt trīs svarīgas litija akumulatoru nepilnības
Foto: Reuters/Scanpix/LETA
Litija ieguve Čīlē, Atakamas tuksnesī. Tas ir laikietilpīgs un dabai ne pārāk draudzīgs process.


Otrkārt, kaut litija jonu baterijām ir visai labs dzīves cikls, tomēr katrs viedtālruņa un klēpjdatora lietotājs būs saskāries ar pieredzi, ka pēc dažiem gadiem ierīces baterija ir būtiski nolietojusies – ja tālrunis sākumā bez problēmām "izvilka" visu dienu, tad tagad bez lādētāja no mājas ārā labāk neiet.

Treškārt, bojājumu gadījumā litija jonu baterijas var uzliesmot, litijam reaģējot ar skābekli gaisā vai ar ūdeni. Bijuši gadījumi, kad defektīvu bateriju radīto risku dēļ ražotājiem nācies izņemt produktus no tirgus, kā tas bija ar "Samsung Galaxy Note 7" viedtālruņiem.

Skābekļa jonu baterijas sola atrisināt visas šīs problēmas. To ražošanai nevajag retzemju elementus vai elementus, kuru ieguve ir sarežģīts un resursu ietilpīgs process. Tās ir arī ar izcilu dzīves ciklu un gandrīz nemaz nenolietojas, kā arī nav jāuztraucas par ugunsdrošību. Kā šī tehnoloģija strādā? Tās ir keramisku materiālu baterijas, bet skābekļa joni ir lādiņa nesējs no anoda uz katodu.

"Mums ir liela pieredze ar keramiskiem materiāliem, ko var izmantot degvielas šūnu ražošanā. Radās ideja papētīt, vai šos materiālus nevarētu lietot arī bateriju izgatavošanā," paziņojumā medijiem skaidro viens no pētījuma autoriem, Vīnes Tehniskās universitātes Ķīmijas tehnoloģiju un analīzes institūta pētnieks Aleksandrs Šmits. Viņa komandas pētītie keramiskie materiāli var absorbēt un atbrīvot dubulti negatīvi lādētus skābekļa jonus. Joni, "migrējot" no viena keramiskā materiāla uz otru un atpakaļ, ģenerē strāvu. Pamatprincips gandrīz tāds pats kā litija jonu baterijām. Atšķiras vien materiāli.

Jauna tipa baterijas sola atrisināt trīs svarīgas litija akumulatoru nepilnības
Foto: TU Wien
Vīnes Tehnoloģiju universitātes komandas izstrādātais skābekļa jonu baterijas prototips.

"Keramiskajiem materiāliem ir būtiskas priekšrocības," skaidro profesors Jurgens Flīgs un kā piemēru min tieši ugunsdrošību, kā arī to, ka keramisko materiālu izmantošana neprasa dabai nedraudzīgu derīgo metālu ieguves procesu. Skābekļa jonu baterijas arī var reģenerēties – ja blakus reakciju rezultātā skābeklis tiek zaudēts, to aizvietos skābeklis no apkārt esošā gaisa.

Ja kaut kas skan pārāk labi, lai būtu patiesība, tad jāatceras, ka tā droši vien arī nav patiesība. Tāpēc arī šai baterijai ir savi mīnusi. Šīs baterijas, ja un kad nonāks apritē, nebūs piemērotas viedtālruņiem vai klēpjdatoriem. Pirmkārt, enerģijas blīvums ir vien apmēram trešā daļa no litija jonu baterijām. Nav gan izslēgts, ka tehnoloģijas pilnveides rezultātā tas ar laiku tiktu uzlabots. Taču pašlaik skābekļa jonu baterija var uzglabāt daudz mazāk enerģijas nekā identiska izmēra litija jonu baterija.

Otrkārt, skābekļa jonu baterijas darbojas augstā temperatūrā – starp 200 un 400 grādiem pēc Celsija. Tas gluži nebūs kas tāds, ko varam komfortabli turēt kabatā.

Tomēr šai tehnoloģijai ir milzu potenciāls kādā strauji augošā jomā – akumulatoru "fermas", kurās uzglabāt ar tā dēvētajām zaļajām metodēm saražotu enerģiju. Piemēram, saules paneļi pa dienu ražo un pievada enerģiju tīklā, bet pārpalikums tiek uzkrāts skābekļa jonu baterijās, lai būtu pieejams lietošanai diennakts tumšajā laikā. Saskatot šim izgudrojumam plašu pielietojumu nākotnē, Vīnes Tehniskās universitātes komanda jau sagatavojusi patenta pieteikumu.

Ja esi ISIC vai ITIC kartes īpašnieks, iegādājies "Delfi Abonementu" par īpašu cenu – 1 eiro uz 4 nedēļām. Vairāk par piedāvājumu uzzini šeit.
Lasi vēl
 
Publikācijas saturs vai tās jebkāda apjoma daļa ir aizsargāts autortiesību objekts Autortiesību likuma izpratnē, un tā izmantošana bez izdevēja atļaujas ir aizliegta. Vairāk lasi šeit.