Τεχνικό: Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών & τα ηλεκτρικά αεροπλάνα

Σχολιάστε

Από τα mild hybrid μέχρι τα αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κυριαρχούν στα σύγχρονα αυτοκίνητα. Ο λόγος, απλός και «ψαγμένος» ταυτόχρονα. Συγκριτικά με άλλες κατασκευές (νικελίου-υδριδίου μετάλλου) οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium-ion) έχουν µία από τις κορυφαίες αναλογίες ενέργειας προς βάρος και αργό ρυθμό αποφόρτισης όταν δεν χρησιμοποιούνται. Μην ξεχνάμε πως Το λίθιο είναι το τρίτο πιο ελαφρύ χηµικό στοιχείο, προσφέροντας έτσι ένα συγκριτικό πλεονέκτηµα σχετικά µε άλλες µπαταρίες, που χρησιμοποιούν βαρύτερα µέταλλα. Κυρίως, όμως, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φημίζονται για την υψηλή ενεργειακή τους πυκνότητα, για αυτό είναι ευρέως διαδεδομένες τόσο στη βιομηχανία της άμυνας όσο και σε εκείνη του διαστήματος.

Τι είναι ενεργειακή πυκνότητα και οι δύο διαστάσεις της

Με τον όρο ενεργειακή πυκνότητα μάζας (Wh/kg) εκφράζουμε την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα μάζας (ή βάρους της μπαταρίας). Εννοούμε, δηλαδή, την ενέργεια που μπορεί να απελευθερωθεί-χρησιμοποιηθεί. Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας μπορεί να διακριθεί σε δύο διαστάσεις: α) ενεργειακή πυκνότητα βάρους και β) ενεργειακή πυκνότητα όγκου. Όσο υψηλότερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα μιας μπαταρίας, τόσο περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί.

• Ενεργειακή πυκνότητα βάρους μπαταρίας = Χωρητικότητα μπαταρίας επί πλατφόρμα εκφόρτισης/βάρος. Η βασική μονάδα μέτρησης είναι Wh/kg (βατώρες/κιλό).
• Ενεργειακή πυκνότητα όγκου μπαταρίας = Χωρητικότητα μπαταρίας επί πλατφόρμα εκφόρτισης/όγκος. Η βασική μονάδα είναι Wh/L (βατώρες/λίτρο).

 
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, λοιπόν, έχουν ειδική ενέργεια 120 Wh/kg, ενεργειακή πυκνότητα 200 Wh/l και ειδική ισχύ 260 W/kg. Τα σύγχρονα στοιχεία της μπαταρίας έχουν τη δυνατότητα πλήρους φόρτισης μέσα σε λιγότερο από 45 λεπτά. Μερικές, μάλιστα, φτάνουν το 90% της φόρτισης τους μέσα σε 10 λεπτά.

Περισσότερα ηλεκτρόνια, μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα

Σε κάθε μπαταρία ιόντων λιθίου πολύ σημαντικός είναι ο ρόλος που έχουν τα τέσσερα συστατικά της (μέρη): το θετικό ηλεκτρόδιο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, ο ηλεκτρολύτης και το διάφραγμα. Ο θετικός και ο αρνητικός πόλος σε κάθε μπαταρία είναι το σημείο όπου πραγματοποιείται η χημική αντίδραση.
 
Ένα ηλεκτρόδιο αναφέρεται είτε ως άνοδος είτε ως κάθοδος. Η άνοδος ορίζεται ως το ηλεκτρόδιο στο οποίο τα ηλεκτρόνια αφήνουν το στοιχείο και λαμβάνει χώρα οξείδωση και η κάθοδος ως το ηλεκτρόδιο στο οποίο τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στο στοιχείο και λαμβάνει χώρα αναγωγή. Κάθε ηλεκτρόδιο μπορεί να γίνει είτε άνοδος είτε κάθοδος, ανάλογα με την φορά του ρεύματος μέσα από το κελί.  Σε μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία, όταν φορτίζεται το στοιχείο, η άνοδος γίνεται το θετικό ηλεκτρόδιο (+) και η κάθοδος το αρνητικό (-) ηλεκτρόδιο. Στην προκειμένη, περισσότερα αποθηκευμένα ηλεκτρόνια σημαίνουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.

Στοιχεία 4680 Tesla με πυκνότητα 272-296 Wh/kg, πόσο θα έχουν οι μπαταρίες νέες εποχής;

Οι εταιρείες αναζητούν διαρκώς τρόπους βελτίωσης της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών τους. Χαρακτηριστική περίπτωση είναι οι μπαταρίες τεχνολογίας 4680 από την Tesla. Πρόκειται για ένα είδος κυλινδρικών μπαταριών που έχει πάρει το όνομα του από τις διαστάσεις των μπαταριών (46 χιλιοστά σε πλάτος και 80 χιλιοστά σε ύψος. Υπόσχονται μεγάλη αυτονομία, με την ενεργειακή τους πυκνότητα να κυμαίνεται μεταξύ 272-296 Wh/kg, καθώς και γρήγορους χρόνους φόρτισης.
 
Η εναλλακτική επιλογή για όσους θέλουν να εξοικονομήσουν χρόνο από την φόρτιση είναι οι μπαταρίες μεγαλύτερης ενεργειακής πυκνότητας. Σαν αυτές που παρουσίασε Ινστιτούτο των ΗΠΑ (Argonne). Οι περίφημες μπαταρίες λιθίου-αέρα στις οποίες αντί του συνηθισμένου υγρού υπάρχει στερεός ηλεκτρολύτης, με την λειτουργία της να εξαρτάται και από το οξυγόνο που παίρνει από το περιβάλλον. Στην θεωρία η συγκεκριμένη μπαταρία έχει 4 φορές μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, υποσχόμενη αυτονομία 1.600 χλμ.
 
Πιο άμεσα αποτελέσματα να περιμένουμε από την CATL που παρουσίασε μία νέα τεχνολογία μπαταριών συμπύκνωσης που προσφέρει ενεργειακή πυκνότητα έως και 500 Wh/kg. H «Condensed Battery» δεν είναι πρωτότυπη παρά θα μπει σε μαζική παραγωγή μέσα στη χρονιά που διανύουμε. Πώς έχει τόσο μεγάλη πυκνότητα; Ο καινοτόμος συνδυασμός στα υλικά καθόδου, ανόδου και διαχωριστή διασφαλίζει κορυφαία απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης. Δεν υπάρχουν περισσότερες πληροφορίες για το εν λόγω project, παρά μάθαμε ότι η κινεζική εταιρεία ετοιμάζεται να βάλει στο παιχνίδι ηλεκτρικά επιβατικά αεροπλάνα.
 
Εφικτό ή όχι, το άμεσο μέλλον θα δείξει...