Inhalt
- Das erste Problem mit Lithium: Volatilität
- Das zweite Problem mit Lithium: Seltenheit
- Das Potenzial für Natriumionenbatterien
- Referenzen und Ressourcen
Chris ist ein Ingenieur, Denker und Philosoph, der gerne futuristische Ideen und Technologien erforscht.
Unsere moderne Gesellschaft ist für fast alle Arten von mobilen oder tragbaren Technologien stark von Lithium-Ionen-Batterien abhängig geworden. Lithium-Ionen-Batterien sind in allen Bereichen zu sehen, von Uhren und Smartphones über Elektroautos bis hin zu Rauchmeldern. Es gibt jedoch eine Reihe von Problemen mit dieser Technologie, und leider sind Lithium-Ionen-Zellen nicht so effizient, wie wir es uns wünschen.
Wissenschaftler und Forscher arbeiten hart daran, einen Ersatz für diese alte Technologie zu finden. Es ist jedoch eine Herausforderung, etwas zu finden, das im großen Maßstab sicher, kostengünstig und wirtschaftlich rentabel ist. Was ist das Problem mit Lithium-Ionen-Batterien und werden Natrium-Ionen-Batterien diese schließlich ersetzen?
Das erste Problem mit Lithium: Volatilität
Lithium ist ein sehr reaktives und leicht entzündliches Element. Dies kann die Arbeit mit Lithium gefährlich machen. In seiner natürlichen Form können Lithiumablagerungen ziemlich harmlos sein. Sobald das Lithium jedoch in eine Form gebracht wurde, die zu einer nützlichen Batterie verarbeitet werden kann, befindet es sich in einem hochreaktiven Zustand. Von den Arbeitern, die das Lithium zu einem brauchbaren Material verarbeiten, bis zu den Personen, die die Batterien tatsächlich herstellen, besteht immer ein Risiko. Insbesondere scheint die typische Lithium-Ionen-Batterie eine deutlich niedrigere Zuverlässigkeitsbewertung zu haben, da Hunderte, wenn nicht Tausende von Beispielen für diese Batterien explodieren oder Feuer fangen.
Im Jahr 2016 hatte Samsung ein bekanntes Problem mit den Lithium-Ionen-Akkus in seinen Flaggschiff-Handys, die gerade herausgekommen waren. Sowohl die Medien als auch das Internet waren mit Geschichten über explodierende Telefone und Tablets überflutet (Swider, 2017). Man hat sogar in einem Flugzeug Feuer gefangen! Etwa zur gleichen Zeit, als dies geschah, trat bei Hoverboards ein ähnliches Batterieproblem auf. Diese Modeerscheinungen begannen aufgrund eines Problems mit der Lithium-Ionen-Batterietechnologie unerwartet zu explodieren und Feuer zu fangen (Molina, 2017).
Seitdem haben Elektronikhersteller versucht, Ausfallsicherungen in ihre Geräte einzubauen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Batterien zu verbessern. Lithium-Ionen-Batterien bleiben jedoch weiterhin potenziell gefährlich, was den Versand oder Transport erschweren kann.
Das zweite Problem mit Lithium: Seltenheit
Es sind weltweit nur wenige Lithiumreserven bekannt. Das meiste Lithium wird in nur vier Ländern konzentriert, wobei Chile der weltweit größte Hersteller dieses begehrten Materials ist. Chile verfügt über mehr als die Hälfte der weltweit bekannten Lithiumreserven (Home, 2018).
Aufgrund der Seltenheit dieses Materials gibt es viele mögliche Konsequenzen für die Weltwirtschaft, die Umwelt und die Länder, die Lithium kaufen und verkaufen. Zum Beispiel erfolgt die meiste Lithiumproduktion durch Pumpen von Salzsole aus unterirdischen Stauseen in riesige Seen, in denen das Wasser verdunsten kann. Dies hinterlässt hochkonzentrierte Lithiumablagerungen (Bell, 2018), die zu einem Zustand weiterverarbeitet werden können, der für die Batterieproduktion verwendet werden kann.
Um die Verdunstungsraten (und damit die Lithiumproduktion) zu verbessern, müssen die gebauten Verdunstungsteiche sehr groß sein, damit sich die Solelösung ausbreiten kann, um die größtmögliche Oberfläche zu erzeugen. Lithium kann auch aus einer Vielzahl von Mineral- und Tonvorkommen gewonnen werden, die mit traditionelleren Bergbautechniken gewonnen werden (Pennell, 2018). In beiden Fällen können die potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt erheblich sein.
Eine andere zu berücksichtigende Sache ist, dass die Knappheit der natürlichen Ressourcen eine der Hauptursachen für Krieg und Konflikte ist. Wenn ein Land über eine Fülle an Material verfügt, die alle anderen benötigen, kann dies zu Spannungen zwischen den Nationen führen. Mit zunehmender Abhängigkeit von Lithium steigt auch das Potenzial für globale Konflikte (Mellow, 2018). Wenn Sie ganze Volkswirtschaften haben, die von einem einzigen Produkt abhängig sind, um sich selbst zu erhalten, besteht außerdem ein erhebliches Risiko, dass die langfristige Stabilität des Landes gefährdet ist.
Wird Lithium das Erdöl der Zukunft? Wenn sich nichts ändert, kann es sein. Allein im Jahr 2015 hat sich der weltweite Lithiumpreis aufgrund des wachsenden Appetits auf dieses wichtige Material verdreifacht. Dies wird voraussichtlich mit zunehmender Nachfrage noch weiter zunehmen.
Das Potenzial für Natriumionenbatterien
Während Lithium selten ist, ist Natrium sehr häufig. In der Tat ist Natrium das vierthäufigste Material auf der Erde und es ist sehr leicht zu erhalten. Dies würde den Abbau und die Beschaffung der Rohstoffe für eine Natriumionenbatterie sehr kostengünstig machen.
Die Herausforderung besteht jedoch darin, einen Weg zu finden, eine Natriumionenbatterie herzustellen, die sowohl zuverlässig als auch einfach herzustellen ist. Natrium ist ein sehr reaktives Material (mehr als Lithium), und selbst ein winziger Kontakt mit Luft kann zu einer Verschlechterung führen, was die Herstellung einer Natriumionenbatterie schwierig macht (University of Wollongong, 2018). Um eine gute, langlebige Natriumionenbatterie herzustellen, sind spezielle Maschinen und sehr strenge Qualitätskontrollen erforderlich. Darüber hinaus versuchen die Forscher immer noch, den Prozess zur Herstellung dieser Batterien zu verbessern. Eines ihrer Ziele ist die Optimierung des chemischen Aufbaus der Batterie, was zu einer verbesserten elektrischen Leistung führen würde.
In einem an der Stanford University entwickelten Natriumionen-Prototyp besteht die Kathode aus einer Kombination von Natrium, Sauerstoff und Kohlenstoff, während die Anode aus Phosphor besteht (Turner, 2018). Diese Materialien können ziemlich leicht aus einer Vielzahl von organischen Materialien erhalten werden. Dies macht Erntematerialien relativ einfach und kostengünstig.
Darüber hinaus verwenden einige Prototypen von Natriumionenbatterien etwas, das als "harter Kohlenstoff" anstelle von Phosphor für eine Anode bezeichnet wird. Hartkohlenstoff kann durch Verarbeitung von Biomasse mit hohem Kohlenstoffgehalt relativ billig erzeugt werden. In beiden Fällen hängt die Effizienz und Leistung dieses Batterietyps von der Anode ab. Hier verbringen Forscher die meiste Zeit damit, diese Technologie zu verbessern.
Wenn aus diesem Material eine zuverlässige Batterie hergestellt werden kann, könnte dies die Batterieindustrie revolutionieren, insbesondere für Kraftwerke, Elektrofahrzeuge und große Batterieanlagen. Sie werden jedoch wahrscheinlich in Kürze keinen Ersatz für die Batterien in Ihrem Telefon sehen. Die geringere Energiedichte von Natrium bedeutet, dass eine vergleichsweise größere Batterie benötigt wird, um die gleiche Energiemenge wie eine ähnliche Lithium-Ionen-Batterie bereitzustellen.
Letztendlich ist viel Arbeit erforderlich, um Natrium zu einem tragfähigen Ersatz für Lithium im globalen kommerziellen Maßstab zu machen. Wenn die derzeitige Technologie kommerzialisiert würde, würden die Verbraucher die Kosten für Batterien für ihre Mobiltechnologie voraussichtlich nur um 5 bis 10% senken. Dies ist sowohl auf die komplizierteren Herstellungsprozesse als auch auf die größeren Größen der Batterien zurückzuführen, die zur Bereitstellung der äquivalenten Energieabgabe erforderlich wären (Hellemans, 2017). In jedem Fall wird die Forschung an Natriumbatterien fortgesetzt, und es ist möglich, dass wir nur einen Durchbruch davon entfernt sind, einen brauchbaren Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien zu finden.
Referenzen und Ressourcen
- Bell, Terence. "Ein Überblick über die kommerzielle Lithiumproduktion." Die Balance. 11. Mai 2018. https://www.thebalance.com/lithium-production-2340123>
- Hellemans, Alexander. "Wie lange dauert es, bis Natriumbatterien ihr Salz wert sind?" IEEE-Spektrum. 15. Dezember 2017. https://spectrum.ieee.org/energywise/at-work/innovation/how-long-before-sodium-batteries-are-worth-their-salt>
- Zuhause, Andy. "Kommentar: Warum Tesla sich wegen seines Lithiums an Chile wendet." Reuters. 7. Februar 2018. https://www.reuters.com/article/us-lithium-supply-ahome/commentary-why-tesla-is-turning-to-chile-for-its-lithium-idUKKBN1FR2A1>
- Mellow, Craig. "Chile versucht, seine Lithiumproduktion anzukurbeln." Barrons. 10. März 2018. https://www.barrons.com/articles/chile-seeks-to-rev-up-its-lithium-production-1520647972>
- Molina, Brett. "Hoverboards wegen Brand- und Explosionsgefahr zurückgerufen - wieder." USA heute. 15. November 2017. https://www.usatoday.com/story/tech/talkingtech/2017/11/15/hoverboards-recalled-fire-and-explosion-risks-again/865643001/>
- Pennel, Kyle. "Wie funktioniert der Lithiumabbau?" Holen Sie sich CAD-Blog. 20. Februar 2018. https://blog.grabcad.com/blog/2018/02/20/how-does-lithium-mining-work/>
- Swider, Matt. "Deshalb haben die Samsung Galaxy Note 7-Akkus Feuer gefangen und sind explodiert." Tech Radar. 23. Januar 2017, https://www.techradar.com/news/samsung-galaxy-note-7-battery-fires-heres-why-they-exploded>
- Turner, Julian. "Sind Natriumionenbatterien ihr Salz wert?" Energietechnik. 21. Mai 2018. https://www.power-technology.com/features/sodium-ion-batteries-worth-salt/>
- Universität von Wollongong. "Natriumionen-Akkus haben es in sich. Phys.org. 5. April 2018. https://phys.org/news/2018-04-sodium-ion-battery.html>
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