Cómo las baterías de litio desafían la gran capacidad

Esperamos una nueva era de uso generalizado de energía limpia. Como uno de los sellos distintivos de esta era, la gente quiere ver coches nuevos como el coche eléctrico Tesla corriendo por toda la calle. En lugar de necesitar gasolina, funciona con baterías de litio que están llenas de electricidad. Para entonces, las estaciones de servicio a ambos lados de la carretera serán reemplazadas por estaciones de carga. La última noticia es que Shanghai ha anunciado que otorgará a los vehículos eléctricos Tesla una licencia sin cargo y los ayudará a construir estaciones de sobrealimentación en China más rápido.

Sin embargo, cuando se da cuenta de que las baterías que se usan en los vehículos eléctricos no son fundamentalmente diferentes de las baterías de su teléfono, la euforia del futuro brillante puede quedar cubierta por una nube. Lo que a menudo lamenta la fiesta del teléfono celular es la duración de la batería. Los teléfonos móviles de muchas personas están llenos por la mañana y llenos por la tarde. Deben llenarse una vez al día. Las computadoras portátiles también tienen este problema y pueden quedarse sin energía en unas pocas horas. La utilidad de los vehículos eléctricos se cuestiona por el hecho de que necesitan recargarse con frecuencia cuando no están lejos. El único automóvil eléctrico Model S de Tesla en el mercado, el modelo más equipado que afirma tener 480 kilómetros después de una carga completa, ya es un logro notable.

¿Por qué las baterías "no son duraderas"? En cierto espacio, el tamaño de la energía que puede almacenar el material se llama "densidad de energía". A juzgar por la clasificación de densidad de energía, la batería está casi al final. Utilizando la energía generada por kilogramo como indicador, nuestro consumo diario de gasolina puede llegar a 50 MJ, mientras que el nivel medio de las baterías de litio es inferior a 1 MJ. Otros tipos de baterías también flotan a niveles muy bajos. Obviamente, no podemos hacer que el volumen de la batería sea infinitamente grande; Para aumentar la capacidad de la batería, solo podemos enfocarnos en aumentar la densidad de energía de la batería, pero es difícil. ¿Qué tiene de difícil esta tecnología? El periodista entrevistó a Liurun, profesor asociado de química en la Universidad de Zhejiang, y tomó la batería de iones de litio (batería de litio) como ejemplo para analizar el secreto de la estructura interna de la batería.

Los electrolitos son importantes.

La batería puede proporcionar energía debido a la transferencia de electrones. La batería está conectada a un circuito, el interruptor está encendido y la corriente está encendida. En este punto, los electrones saldrán del polo negativo y atravesarán el circuito hasta el polo positivo. En el proceso, la electrónica hará el trabajo para respaldar su teléfono móvil o conducir un automóvil eléctrico Tesla.

Los electrones de una batería de litio son suministrados por litio. Entonces, con litio en la batería, ¿no aumentaría la densidad de energía? Desafortunadamente, para que una batería de iones de litio sea recargable, su estructura interna debe ser a expensas de la densidad de energía. Liurun señaló que la estructura interna de las baterías de litio incluye electrolitos, materiales de electrodos negativos, materiales de electrodos positivos y diafragma. Cada uno tiene sus propios requisitos de proceso especiales y desempeña una función única y es indispensable. Esta estructura limita el aumento de la densidad energética de las baterías de litio.

Primero, el electrolito, indispensable en la tubería de transporte de la batería. "Cuando la batería se descarga, el átomo de litio pierde electrones y se convierte en un ion de litio. En este momento, corre de un polo de la batería al otro y regresa cuando la batería está cargada", dijo Liurun. El movimiento de iones de litio en los dos polos de la batería constituye la clave para el reciclaje de las baterías de litio, y el electrolito garantiza su libre recorrido. El fluido electrolítico es como el agua de un río, los iones de litio son como los peces. Si el lecho del río está seco y los peces no pueden llegar al otro lado, la batería de litio no funcionará correctamente.

El electrolito también es maravilloso porque solo transporta iones de litio, no electrones, lo que asegura que la batería solo se descargará cuando el circuito esté conectado. Al mismo tiempo, dependiendo del electrolito, el movimiento de los iones de litio es ordenado y claro, por lo que los electrones siempre se mueven en una dirección, por lo que se forman corrientes eléctricas.

Polos positivos y negativos para la estabilidad.

El electrolito no aporta energía, y no es lo suficientemente pequeño, pero es absolutamente indispensable en las baterías de litio. Entonces, ¿por qué no puede haber materiales menos negativos basados en grafito? El grafito es el material que fabrica los núcleos de los lápices y no es responsable de proporcionar electrones. `Es para asegurarse de que la carga no salga mal ', dijo el Sr. Dijo Liurun.

Cuando se cargan, los iones de litio saltan del polo positivo al electrolito y vuelven al negativo, donde los electrones se convierten en átomos de litio y se juntan para prepararse para la próxima descarga. Sin embargo, el litio en sí mismo es un buen conductor de electrones. Es posible que los iones de litio posteriores no hayan alcanzado el polo negativo y hayan obtenido electrones de sus predecesores que se han convertido en átomos de litio. De esta forma, los átomos de litio pueden crecer como malas hierbas en la batería y aparecer cristales. Este proceso se llama "cristalización". El brutal crecimiento de los cristales de litio eventualmente perforará el diafragma y provocará un cortocircuito en la batería.

Para resolver este problema, los científicos hicieron materiales negativos usando grafito, usando sus vacíos superficiales, como una pequeña habitación, para que los átomos de litio permanezcan seguros en el interior y no interactúen entre sí. Como resultado, los átomos de litio se asientan, pero la densidad de energía de la batería vuelve a caer.

Razones similares se aplican al electrodo positivo de la batería. Para mantener la estabilidad y el orden de la batería, el material del electrodo positivo también se ha diseñado especialmente. No todos los iones de litio regresarán al polo negativo durante la carga. Aproximadamente la mitad de los iones de litio permanecerán. Esto también debilita la densidad de energía de la batería.

Desafío de gran capacidad

Objetivamente, las baterías de litio son de tamaño pequeño, livianas, de larga duración, de bajo costo, seguras y respetuosas con el medio ambiente, y se pueden usar durante un período de tiempo más largo en un tiempo de carga más corto ... batería de calidad que los humanos hemos encontrado en la actualidad .. Sin embargo, los científicos siempre se esfuerzan por alcanzar la excelencia. Liurun dijo que la clave para mejorar es encontrar mejores materiales positivos y negativos para aumentar la densidad de energía de la batería.

Las posibles alternativas a los materiales negativos son las aleaciones de litio y silicio, que tienen una densidad de energía casi diez veces mayor que la del grafito. Encontrar materiales positivos más estables es aún más importante. Actualmente se utiliza principalmente cobalto de litio. Este material es muy caro, pero la estabilidad y la densidad de energía no son satisfactorias. Los científicos están estudiando la posibilidad de reemplazarlo por un óxido de hierro o manganeso.

¿Es posible obtener una capacidad de batería mayor en un futuro previsible? Los científicos todavía están trabajando en torno al litio. Debido a que el litio participa en la reacción con una alta proporción de electrones, el litio metálico tiene una gran densidad de energía. Tanto las baterías de litio-azufre como las de litio-aire tienen posibilidades teóricas. Son baterías, pero pueden proporcionar tanta energía como la gasolina. Sin embargo, el desarrollo práctico y la promoción aún enfrentan muchos desafíos.

Parece que estás interesado en los coches eléctricos, todavía necesitas aceptar temporalmente el hecho de que correr durante un tiempo se cobrará. Científicos de Nueva York desarrollaron recientemente un nuevo invento que utiliza paneles solares para crear una tapa de alcantarilla que permite que los coches eléctricos se estacionen en la carretera en cualquier momento para cargarse. Esas son buenas noticias para Tesla, ¿no?

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