EN
Quick Links
Anodi ndani ya betri ya lithium iona hufanya kazi muhimu wakati wa mzunguko wa kuachana na kuchaji, kwa ujumla zinazokwenda na vitu kama graphite au silicon hivi sasa. Graphite inabaki kuwa ni chaguo la kawaida kwa anodi zingine kwa sababu inafanya kazi vizuri kwa kemikali na siyo ghali sana. Uwezo wa graphite ni muhimu kwa sababu muundo wake una mstari unaolandoa ambao linaweza kuondoa na kuingiza iona za lithium bila shida, hivyo kuhakikisha betri itachukua kwa umbo la glidi. Silicon ina uwezo mkubwa wa kuhifadhi nishati kuliko graphite, lakini kuna changamoto. Wakati silicon ipo ndani ya mzunguko wa kuchaji, huongezeka kwa ukubwa na huuongezi unaweza kufanya betri isipoteze kwa muda mrefu. Wataalamu wamekuwa wanajadili hili tatizo kwa miaka mingi. Kazi za hivi karibuni zimeonyesha kuwa kufanya uchumbo wa silicon oxide juu ya anodi za graphite husaidia kufanya kazi kwa muda mrefu kati ya mazozi, ambayo inamaanisha utendaji bora kwa muda mrefu wa mfumo wa betri nzima.
Aina ya chuma cha kikatodi inayotumika hucheza jukumu muhimu katika kuamua kiasi cha nishati ambacho bateriya ya lithium inaweza kuhifadhi na jinsi bora inavyoshughulikia joto. Mbadala ya kawaida mbili zinazopatikana sasa ni lithium cobalt oxide (LCO) na lithium iron phosphate (LFP). Wakati LCO inatoa uwezo mkubwa wa kuhifadhi nishati kwa bateriya, hufanya mambo kuwa ya vishiki wakati joto huongezeka, ambalo linaiweka bila usalama kwa ujumla. Kwa upande mwingine, vitu vya LFP ni salama zaidi na vinashughulikia joto vizuri, ingawa havina uwezo mkubwa wa nishati kwa uenezi. Tazama nini kinachotokea sasa katika sektori ya bateriya, wengi wa watoa huzingatia matambo ya NMC yanayojumlisha nickel, manganese, na cobalt. Vitu hivi vinajikuta kwenye muda mwingi kati ya nguvu za pato na salama. Takwimu za mdundo zinaonesha kuwa takribani asilimia 30 ya bateriya zote zinazotengenezwa duniani sasa zina jumla ya NMC ya aina yoyote, ambalo hionyesha kuwa makampuni yanazitambua zaidi msaada ya kisababisho na sifa za usimamizi wa joto.
Electrolytes za ndani za betri za lithium-ion bila kubaliana hutumika kama barabara ambapo vionzi vinapogonga mbele na nyuma kati ya vyumba vya anode na cathode, jambo muhimu kabisa kwa ajili ya utendaji mzuri wa betri. Kwa nusu ya historia yao, betri hizi zilitumia electrolytes za likidu kwa sababu zinapitisha vionzi vizuri sana. Lakini hivi karibuni kuna ongezeko la wasiwasi kuhusu maswala ya usalama - tukio nyingi sana zinazohusisha betri zinazochumwa na hata moto zimepusha watafiti kuelekea kuzendeleza mabadiliko ya aina ya kisaidizi. Electrolytes za kisaidizi zinatoa usalama bora kwa sababu hazing'ombe vizuri, hivyo kupunguza kipu kizito cha betri ambacho tukio kadhaa tunasikia kuhusu. Kazi ya hivi karibuni iliyochapishwa katika maeneo kama vile Electrochimica Acta inaonyesha kuwa wanasayansi wanapogundua mada ya kuboresha njia ambazo vitu hivi vya kisaidizi vinavyopitisha vionzi na pia utulivu wao wa jumla. Ikiwa kazi hii itafanikiwa, inaweza maanisha betri bora zaidi kwa vitu vyote aina ya kifaa kutoka kwa simu za mkononi hadi kwa magari ya umeme katika miaka michache ijayo.
Vichawi vya ndani katika bateri za lithium ion hucheza jukumu muhimu katika kuzuia vifungo vya panya kwa kudhibiti baridi kati ya anodi na katodi wakati wote wakiipa umoja wa kupita kwa ions. Mwaka jana, kuna kuwa na tukio la kutoa mabadiliko ili kufanya hizi vichawi viendeleze vizuri na kuwa salama zaidi. Vipengele kama vile vya aina ya ceramic coated hutoa upinzani wa joto bora, ambalo linamaanisha hawalingani kwa urahisi wakati joto inaongezeka. Kulingana na matokeo ya chuo kikuu cha Journal of Membrane Science, hizi vichawi vya kisasa hupunguza upinzani wa ndani ndani ya seli ya bateri. Hii huchangia siyo tu kwa uendeshaji salama bali pia hufanya bateri nzima isipokee kazi vizuri. Utafiti wa kimsingi umethibitisha hii kwa kiongozi jinsi muhimu ni muundo mzuri wa vichawi kwa ajili ya kupata umri mrefu zaidi kwa vifaa vyetu vinavyotumia teknolojia ya lithium ion.
Kufahamu jinsi vituo vya serehe na ya mfulo vinavyofanya kazi vinatoa tofauti kubwa wakati mnajaribu kuchukua faida ya upekee ya vituo vya betri. Waka vituo viunganishwe vipindi vya serehe, vinaunganishwa kila moja baada ya moja ambayo inaongeza nguvu ya umeme bila kubadili uwezo wa jumla. Mpangilio huu unafanya kazi vizuri pale ambapo inahitajika nguvu ya umeme ya juu, fikiria kuhusu magari ya umeme au vituo vingine vya mstari wa jua. Kwa upande mwingine, mfulo ya mfulo hulika kiwango cha umeme kama cha moja ya vituo lakini inaongeza uwezo wa jumla. Hiyo inafanya kuwa nzuri kwa vitu kama vile vifombo vya kuhifadhi mstari wa jua ambavyo inahitaji kuendesha muda mrefu kabla ya kupakia upya. Uchaguzi huu kweli hupendelea mahitaji maalum ya matumizi.
Imekuwa na mfuatano wa ziada kama kuongeza vituo vya barabara ili magari zaidi (au voltage) yenye kusogea kwa wakati mmoja. Mipangilio ya msambamba inafanya kazi kwa tofauti ingawa ni sawa na kuongeza upana wa barabara iliyopo ili kuburudisha magari makubwa (ambayo inawakilisha uwezo mzaidi wa kusogea). Chukua mfano wa magari, kwa kawaida watoa magari ya umeme huchagua uunganisho wa mfuatano kwa sababu mita ya umeme inahitaji hicho kile cha voltage ili iende vizuri. Lakini wakati wa kuangalia kwa malengo ya kuhifadhiya nguvu ya jua, makampuni hupendelea mipangilio ya msambamba kwa sababu hizi ndizo zinazotoa nafasi ya kuhifadhi kubwa zaidi, ambayo inafaa kama tunataka mfumo wetu wa nguvu ya kuyawisha kweli kuhifadhi nguvu kwa ajili ya siku zote zinazokuwa na mawingu.
Kuweka joto sahihi ni muhimu sana ili uhifadhi uwezo na usalama wa bateri. Wakati bateri zinapita kwa mzunguko wa malipo na kutoa nishati, zin tenda ku jaa moto ndani. Ikiwa huchukuliwa, ukuu wa moto huu unaweza kuharibu utegengezi wa bateri kwa muda mrefu na pia kusababisha hali za hatari. Kwa sababu hiyo, wanasanisi wanaweza kuboresha mifumo maalum ili kuondoa moto ndani ya vifuko hivi vya bateri. Kuna njia mbili za msingi za kufri bateri. Njia zisizo za haraka hutegemea matofali bora wa moto au njia bora za kupitisha moto zilizojengwa katika muundo wa bateri yenyewe. Kupofua kwa shughuli hutoa zaidi ya hiyo kwa kuongeza vifaa halisi kwenye mchanganyiko kama vile viungo vinne vinavyopiga hewa juu ya seli au mifumo ya mzunguko wa maji ambayo hutoa moto haraka kutoka kwenye eneo ambalo linaathiriwa na moto.
Mapinduzi ya hivi karibuni katika teknolojia imefanya mafunzo ya usimamizi wa joto kuwa bora sana katika kazi zake, na tunaweza kuona hii inafanya kazi vizuri katika mazingira ya kweli. Chukua mfano wa magari ya umeme - sasa mengi yamejengwa na mitaala ya ngu ngu ambazo zimejengwa ndani ya viambazo vya umeme. Mitaala hii ina hifadhi mambo yote kuendelea kwa utulivu hata wakati joto linapobadilika kiasi kikubwa, ambacho husaidia kuongeza muda viambazo hivi vinafaa kabla ya kubadilishwa. Pia huzisitisha mashimo ya kionyesho inayoitwa 'thermal runaways' kutokana na joto. Kulingana na mafunzo na majaribio mengi, teknolojia za ngu ngu hizi zinafanya tofauti kubwa kwa ajili ya viambazo vinavyopaswa kutoa utendaji bora. Viambazo hivi viendelea kuhifadhiwa na kufanya kazi kama ilivyotarajiwa kwa umri wao mzima bila kutokea kwa mapungufu ya ghafla au kupungua kwa uwezo.
Mifumo ya kudhibiti bateri au BMS ni muhimu sana kwa ajili ya kuhakikia bateri zilipoteze na kufanya kazi vizuri kwa sababu yanatazama mara kwa mara mambo kama viwango ya voltage na joto la bateri. Bila kuzingatia vizuri, matatizo kama joto kali au viwango vya voltage isiyokadhi vya joto yanaweza kutokea, ambayo hawana mtu anataka wakati wa kushughulikia bateri. Zaidi ya BMS zina pointi za kugundua joto na voltage. Wakati hizi pointi zikipita kwa viwango vilivyopangwa, mfumo huchukua hatua za usalama ili kuzuia matatizo au mazingira ya hatari. Chukua mfano bateri za lithium ion mengi ya watoa hawaweka nyuma za kuponya ili ianzishe wakati joto kufikia kuhusu digrii ya Celsius 60. Uchunguzi hujao wa Chuo Kikuu cha California umegundua kuwa kudhibiti BMS bora hurekebisha umri wa bateri kwa takribani 30% wakati pia hufanya ziwe za usalama zaidi. Kudhibiti mambo muhimu haya inamaanisha bateri zenye nguvu ya jua zitumika kwa muda mrefu na kufanya kazi vizuri zaidi kwa muda, ambacho ni muhimu sana kwa matumizi ya nguvu yenye uwezo wa kuzalishwa upya.
Mipangilio ya Kudhibiti Bateri (BMS) hucheza jukumu muhimu katika kuhakikumi kwamba seli zote ndogo za bateri za jua zinajitokeza vizuri, hasa kupitia udhibiti bora wa mazingira ya kutoa na kupakuliwa kwa nishati. Wakati nishati inapandishwa sawa katika safu ya bateri, mipangilio hii huonesha tofauti kubwa katika kiasi cha nishati ya jua kinachohifadhiwa. Baadhi ya majadiliano baini kuonyesha kwamba mipangilio bora ya BMS inaweza kuongeza ufanisi wa kuhifadhi kiasi cha takribani asilimia 15. Maana ya hii katika matumizi ya kila siku ni pamoja na: utendaji bora wa jumla wa mfumo na bateri pia zenye kufanana muda mrefu. Je, mtu anayeweka panel za jua nyumbani au kuyatumia katika viwanda vikubwa, kupata BMS yenye nguvu inaweza kufanya tofauti kubwa. Bila hii, watu hupaswa kubadilisha bateri mara kwa mara badala ya kuuza miaka ya utendaji wa pamoja kutoka mfumo wa nishati ya jua.
Uunganisho wa kemia wa betri ni muhimu sana kwa jinsi yake inavyofanya kazi, hasa kwa vitanzanzu vya nguvu ya jua. Betri za kawaida za lithium ion zinazokazia zina vitu kama vile lithium cobalt oxide au lithium manganese oxide ndani yao. Lakini vituo vya betri vinavyolingana na jua huendelea na vitu kinachoitwa lithium iron phosphate (LiFePO4) kwa sababu hii inatoa sifa bora za usalama na ina uwezo wa kudumu muda mrefu. Tofauti katika uunganisho wa kemia ina maana kwamba betri hizi za jua zinaweza kubeba mizigo mingi zaidi ya malipo na kutoa nguvu kuliko ile ya betri za lithium ion za kawaida. Utafiti unaonyesha kweli kweli LiFePO4 inatoa uhai mrefu wa mizigo pamoja na upendelezi bora wa joto ambacho ni muhimu sana kwa ajili ya vitanzanzu vinavyohifadhi nguvu ya jua kwa sababu vinahitaji kufanya mizigo kila siku. Hii inaongeza kwa jumla kiasi cha kazi bora pamoja na uhai mrefu wa betri, hivyo si ajabu kuwa wengi wa wanaoishi nyumbani ambao wanatafuta vitanzanzu vya jua huyafurahia teknolojia ya LiFePO4 kwa ajili ya vitanzanzu vyao nyumbani.
Wakati wa kuchanganya vifaa vya betri kwa ajili ya mitaji ya jua kwa nyumba, kuna mambo mengi ambayo yanafaa kuwa muhimu iwapo tunataka iwe vigumu kwa muda mrefu. Mambo muhimu ambayo watu huangalia ni idadi ya mara betri inazopakua na kutolewa kabla ya kuharibika, kasi ya kupakua, na aina ya nguvu inayotolewa wakati wa mzunguko huo. Mambo yote haya huathiri kiasi cha kifadhi na kutosha cha betri ya jua katika matumizi halisi. Vipengele vizuri vya muundo hufaa kuweza kubadilisha matarajio ya nishati ya nyumba bila kupoteza ufanisi. Chukua kama mfano Powerwall ya Tesla hii inapendwa na wajibikaji wa nyumba ambao wanatafuta vituo muhimu vya kuhifadhi nishati. Hii inahifadhi nuru ya jua zaidi yenye kuzalishwa mchana na kutoa tena nyumbani iwapo bei za umeme zinapanda au kama mtandao haujapakalika. Kuchunguza matumizi ya kuzimu kama hii inasaidia kufahamu kwa nini chaguo fulani cha muundo huchukua nafasi kubwa katika kuvuta umri wa betri na kuboresha uendeshaji wa jumla wa mifumo ya jua kwa ajili ya nyumba.
Ukumbusho wa betri umegundua mabadiliko makubwa kutokana na maendeleo mapya katika anodi za silikoni. Hizi zinatoa uwezo wa kuhifadhi kubwa kuliko anodi za kawaida za graphite. Silikoni ina uwezo wa kudumisha ions za lithium kwa kiasi cha kumi mara zaidi ya kile graphite inavyofanya, ambacho inamaanisha kwamba betri zinaweza kutolea nguvu kubwa zaidi. Waajiri wa vifaa vya mwanachama na makampuni ya magari ya umeme (EV) tayari wameanza kutumia teknolojia hii ya anodi ya silikoni kwa sababu bidhaa zao zinaendelea kwa muda mrefu kati ya malipo na kutoa utajiri bora. Uchunguzi uliochapishwa katika Jarida la Vyanzo vya Nguvu linaonyesha kwamba mabadiliko haya halisi yanapakua uwezo kwa takribani asilimia 40, hivyo yanafanya kazi vizuri kwa vifaa ambavyo yanahitaji nguvu nyingi. Pamoja na kutoa nguvu kwa simu yetu na magari, teknolojia hii inasaidia pia kukuza mabadiliko katika teknolojia ya betri za jua. Nyumba zaidi zinajitolea kwa teknolojia hizi za kuhifadhi jua kama chaguo la fahari ambacho kinawezesha kusafisha nuru ya jua wakati wa mchana kwa matumizi ya usiku au siku za hali ya hewa mbaya.
Mafutso ya umeme ya hali ya kimiminiko yanawakilisha mabadiliko makubwa kwa mujibu wa mafutso ya maji ya kisasa, yanayosafisha usalama na utendaji wa bateriya za sasa. Sifa ya kuu? Hakuna tena kuchemwa! Pamoja na hayo, haziathiriwa na mapungufu ya uchumi wa joto ambayo yanapotea bateriya nyingi za sasa. Mabadiliko ya mtazamo huu ina maana kwamba watoa hawana uwezo wa kutegemea sana maji ya kuchomwa, ambayo inasababisha mafutso ya umeme yenye ubadilishaji wa kutosha. Utafiti kutoka kwa Jarida la Kemikali za Mazingira A linaonyesha kwamba mafutso ya hali ya kimiminiko yanaishi muda mrefu zaidi na kusimamia joto vizuri pia jambo muhimu sana kwa ajili ya simu, laptop na hasa magari ya umeme. Kile kinachozingatia zaidi ni uwezo wao wa kuzuia mazingira ya kihewa bila kuvunjika. Tumeanza kuona kuwa yanapatikana pia katika mifumo ya nyumba ya uhifadhi wa jua, ambapo uhakika ina umuhimu mkubwa wakati mmoja unapotegemea teknolojia ya lithium ion ya kisasa kwa haja za umeme za kila siku.