Новые виды аккумуляторов: Новые типы аккумуляторов обещают каждый год, но не выводят в

Содержание

Новые типы аккумуляторов обещают каждый год, но не выводят в

Побочные эффекты — это основная причина, почему новые типы аккумуляторов отсутствуют в продаже (хотя это не совсем так — купить их можно, но пока либо слишком дорого, либо ограниченными партиями). Коммерческих результатов в результате научной деятельности в электрохимической отрасли добиться очень сложно. Но это не значит, что все без разбора попавшие в новости достижения в аккумуляторах являются мошенничеством или обманом.


Отсутствие новых типов аккумуляторов в магазинах чаще всего объясняют дороговизной инфраструктуры изготовления готовых ячеек.

Мы уже рассказывали, действительно ли технология аккумуляторов достигла своего предела и остановилась в развитии. Главный вывод учёных — пока в аккумуляторах есть что совершенствовать, их эволюция не остановится. На этот раз мы узнали мнение человека, который в прошлом году выступал с докладом как раз о мошеннических схемах в этой отрасли



Почему никто так и не сделал что-то лучше Li-Ion батареи?

На передовой аккумуляторной эволюции сейчас стоят автомобильные концерны. Чтобы сделать хороший экономичный электромобиль с длительным сроком службы элементов питания внутри него, нужно протестировать сотни клеточных химий и конструкций.


Те компании, которые стремятся к инновациям, должны поработать ещё и над тем, чтобы довести технологии от прототипирования до производства.

Мы задали вопрос известному чешскому учёному-инженеру профессору Петру Новаку из Института Пола Шеррера, почему путь от прототипирования к производству в электрохимической аккумуляторной отрасли так тернист, что до сих пор его так никто толком и не освоил. Как мы уже сказали, профессор в прошлом году делал доклад как раз по этой теме.



Кто такой профессор Пётр Новак?

Пётр Новак является руководителем факультета «Сохранение электрохимической энергии» в Институте им. Пола Шеррера в Филлигене (Швейцария) и профессором лаборатории неорганической химии Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich).

Ещё в 1980-х годах новые слухи о достижениях в области технологии аккумуляторов обещали экстремальное увеличение плотности энергии. В эти разработки вкладывали большие деньги. Но мы всё ещё там, где мы есть.


Профессор Пётр Новак выступает с докладами, чтобы противостоять именно этим обманам. Он неоднократно показывал инвесторам, как отличать желаемое мышление в химии клеток от реально существующих фактов.


«Цены на аккумуляторы от 150 долларов США за киловатт-час и ниже возможны до 2025-го года. Но эти цены учитывают лишь сам аккумулятор», — заявляет профессор.

Нужно понимать, что к этой цене следует добавить затраты на необходимую инфраструктуру. Что будет использоваться для питания зарядных станций? За счёт чьих денег это финансировать? Многие полагают, что за счёт налогоплательщиков. Якобы это снизит реальную стоимость батарейных блоков. Ответственный момент, согласитесь.


Не менее важно руководствоваться не теоретически возможной удельной энергией клеточного химического состава, о которых обычно рассказывают в новостях, а практическими результатами.

Просто на практике удельное содержание энергии составляет только четверть теоретического значения. Иногда даже ниже.

Профессор прислал в качестве подтверждения своих слов изображение — факты и желаемое мышление относительно плотности энергии. Хорошей основой для практически реализуемой плотности энергии является деление теоретически возможного максимального значения на четыре. Значение, которое действительно может быть достигнуто, часто даже ниже.



Пример

Реакция лития и кислорода на Li2O в литиево-воздушных ячейках. Плотность энергии в такой ячейке достигает около 1800 мА•ч/г при напряжении 4 В.


В теории

Это соответствует теоретически возможной удельной энергоплотности 7200 Вт•ч/кг. На практике батарея с мощностью около 2000 Вт•ч/кг должна быть выполнимой.


Тогда почему же аккумулятора нет на рынке?


На практике

Даже более реалистичные 2000 Вт•ч/кг практически недостижимы, потому что стандартная ячейка с 4 В возможна только в реакции, показанной в кислоте со значением рН = 0. Если используется безводный электролит, то может быть достигнуто напряжение элемента 3 В максимум. Кроме того, происходит неполная реакция лития и кислорода с Li2O2, а не с Li2O.

Этот фактор снижает удельную энергоплотность на 50%. На практике значение составляет всего 1000 Вт•ч/кг вместо теоретически возможных 7200 Вт•ч/кг.



***

OEM-производители стремятся обеспечить себя аккумуляторами в том количестве, которого будет достаточно для преодоления рисков из-за узких мест в производстве. Производители батарей в Азии, например, перманентно испытывают трудности с доставкой помимо вложений в инфраструктуру.


Корпорации сейчас ведут борьбу за получение доступа к таким сырьевым материалам, как никель и кобальт, чтобы держать для себя литиевую отрасль открытой. Усилия требуют вложений на добыче, переработке, производстве от катодов до сборки самих ячеек и, наконец, интеграции в автомобили, мобильные устройства, гаджеты интернета вещей.


Ещё мнения учёных

Как вы лично относитесь к новостям из мира аккумуляторов? Верите ли вы инженерам и учёным, которые заявляют об очередном прорыве? Может быть вы знаете случаи о неисполненных обещаниях? Напишите в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.



Аккумуляторные батареи будущего. Новые виды аккумуляторов приходят на смену литий-ионным батареям

Экология потребления.Наука и техника: Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов — они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии.

Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов — они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии. Ученые уже добились некоторых результатов. Команда инженеров создала литий-кислородные батареи, которые не растрачивают энергию впустую и могут служить десятилетиями. А австралийский ученый представил ионистор на основе графена, который может заряжаться миллион раз без потери эффективности.

Литий-кислородные аккумуляторы мало весят и производят много энергии и могли бы стать идеальными комплектующими для электромобилей. Но у таких батарей есть существенный недостаток — они быстро изнашиваются и выделяют слишком много энергии в виде тепла впустую. Новая разработка ученых из МТИ, Аргонской национальной лаборатории и Пекинского университета обещает решить эту проблему.

Созданные командой инженеров литий-кислородные аккумуляторы используют наночастицы, в которых содержится литий и кислород. При этом кислород при изменении состояний сохраняется внутри частицы и не возвращается в газовую фазу. Это отличает разработку от литий-воздушных батарей, которые получают кислород из воздуха и выпускают его в атмосферу во время обратной реакции. Новый подход позволяет сократить потерю энергии (величина электрического напряжения сокращается почти в 5 раз) и увеличить срок службы батареи.

Литий-кислородная технология также хорошо адаптирована к реальным условиям, в отличие от литий-воздушных систем, которые портятся при контакте с влагой и CO2. Кроме того, аккумуляторы на литии и кислороде защищены от избыточной зарядки — как только энергии становится слишком много, батарея переключается на другой тип реакции.

Ученые провели 120 циклов заряда-разряда, при этом производительность снизилась лишь на 2%.

Пока что ученые создали лишь опытный образец аккумулятора, но в течение года они намерены разработать прототип. Для этого не нужны дорогие материалы, а производство во многом схоже с производством традиционных литий-ионных батарей. Если проект будет реализован, то в ближайшем будущем электромобили будут сохранять в два раза больше энергии при той же массе.

Инженер из Технологического университета Суинберна в Австралии решил другую проблему аккумуляторов — скорость их подзарядки. Разработанный им ионистор заряжается практически мгновенно и может использоваться в течение многих лет без потери эффективности.

Хан Линь использовал графен — один из самых прочных материалов на сегодняшний день. За счет структуры, напоминающей соты, графен обладает большой площадью поверхности для хранения энергии. Ученый напечатал графеновые пластины на 3D-принтере — такой способ производства также позволяет сократить затраты и нарастить масштабы.

Созданный ученым ионистор производит столько же энергии на килограмм веса, сколько и литий-ионный аккумуляторы, но заряжается за несколько секунд. При этом вместо лития в нем используется графен, который стоит намного дешевле. По словам Хана Линя, ионистор может проходить миллионы циклов зарядки без потери качества.

Сфера производства аккумуляторов не стоит на месте. Братья Крайзель из Австрии создали новый тип батарей, которые весят почти в два раза меньше аккумуляторов в Tesla Model S.

Норвежские ученые из Университета Осло изобрели аккумулятор, который можно полностью . Однако их разработка предназначена для городского общественного транспорта, который регулярно делает остановки — на каждой из них автобус будет подзаряжаться и энергии хватит, чтобы добраться до следующей остановки.

Ученые Калифорнийского университета в Ирвайне приблизились к созданию вечной батареи. Они разработали аккумулятор из нанопроволоки, который можно перезаряжать сотни тысяч раз.

А инженеры Университета Райса сумели создать , работающий при температуре 150 градусов Цельсия без потери эффективности. опубликовано

А сегодня расскажем о воображаемых — с гигантской удельной ёмкостью и мгновенной зарядкой. Новости о подобных разработках появляются с завидной регулярностью, но будущее пока не наступило, и мы всё ещё пользуемся появившимися в начале позапрошлого десятилетия литий-ионными аккумуляторами, либо их чуть более совершенными литий-полимерными аналогами. Так в чём же дело, в технологических трудностях, неправильной интерпретации слов учёных или чём-то другом? Попробуем разобраться.

В погоне за скоростью зарядки

Один из параметров аккумуляторов, который учёные и крупные компании постоянно стараются улучшить — скорость зарядки. Однако бесконечно увеличивать её не получится даже не в силу химических законов протекающих в аккумуляторах реакций (тем более, что разработчики алюминий-ионных батарей уже заявили, что такой тип аккумуляторов может быть полностью заряжен всего за секунду), а из-за физических ограничений. Пусть у нас есть смартфон с батареей ёмкостью 3000 мАч и поддержкой быстрой зарядки. Полностью зарядить такой гаджет можно в течение часа силой тока в среднем 3 А (в среднем потому, что напряжение при заряде изменяется). Однако если мы хотим получить полный заряд всего за одну минуту, потребуется сила тока уже в 180 А без учёта различных потерь. Для заряда устройства таким током потребуется провод диаметром около 9 мм — в два раза толще самого смартфона. Да и силу тока 180 А при напряжении около 5 В обычное зарядное устройство выдать не сможет: владельцам смартфонов понадобится импульсный преобразователь тока вроде того, что изображён на фотографии ниже.

Альтернатива увеличению силы тока — увеличение напряжения. Но оно, как правило, фиксированное, и для литий-ионный батарей составляет 3,7 В. Конечно, его можно превышать — зарядка по технологии Quick Charge 3.0 идёт с напряжением до 20 В, но попытка зарядить батарею напряжением около 220 В ни к чему хорошему не приведёт, и решить эту проблему в ближайшее время не представляется возможным. Современные элементы питания просто не могут использовать такое напряжение.

Вечные аккумуляторы

Разумеется, речь сейчас пойдёт не о «вечном двигателе», а об аккумуляторах с долгим сроком службы. Современные литий-ионные батареи для смартфонов способны выдержать максимум пару лет активного использования устройств, после чего их ёмкость неуклонно падает. Владельцам смартфонов со съёмными аккумуляторами повезло немного больше, чем другим, но и в этом случае стоит убедиться, что аккумулятор был произведён недавно: литий-ионные батарей деградируют даже тогда, когда не используются.

Своё решение этой проблемы предложили учёные Стэнфордского университета: покрыть электроды существующих типов литий-ионных аккумуляторов полимерным материалом с добавлением наночастиц графита. По задумке учёных, это позволит защитить электроды, которые неизбежно покрываются микротрещинами в процессе эксплуатации, а те же микротрещины в полимерном материале будут затягиваться самостоятельно. Принцип действия такого материала похож на технологию, применённую в смартфоне LG G Flex с самовосстанавливающейся задней крышкой.

Переход в третье измерение

В 2013 году появилось сообщение о разработке исследователями университета штата Иллинойс нового типа литий-ионных аккумуляторов. Учёные заявили, что удельная мощность таких элементов питания составит до 1000 мВт/(см*мм), в то время как удельная мощность обычных литий-ионных батарей колеблется между 10-100 мВт/(см*мм). Были использованы именно такие единицы измерения, поскольку речь идёт о достаточно небольших структурах толщиной в десятки нанометров.

Вместо плоских анода и катода, применяемых в традиционных Li-Ion батарей, учёные предложили использовать объёмные структуры: кристаллическую решётку из сульфида никеля на пористом никеле в качестве анода и литий-диоксид марганца на пористом никеле в качестве катода.

Несмотря на все сомнения, вызванные отсутствием в первых пресс-релизах точных параметров новых аккумуляторов, а также не представленные до сих пор прототипы, новый тип батарей всё же реален. Подтверждением тому служат несколько научных статей на эту тему, опубликованных за последние два года. Тем не менее, если такие батареи и станут доступны для конечных потребителей, произойдёт это очень нескоро.

Зарядка через экран

Учёные и инженеры пытаются продлить жизнь наших гаджетов не только поиском новых типов аккумуляторов или увеличением их энергоэффективности, но и довольно необычными способами. Исследователи университета штата Мичиган предложили встроить прозрачные солнечные панели прямо в экран. Поскольку принцип работы таких панелей основан на поглощении ими солнечного излучения, чтобы сделать их прозрачными, учёным пришлось пойти на хитрость: материал панелей нового типа поглощает только невидимое излучение (инфракрасное и ультрафиолетовое), после чего фотоны, отражаясь от широких граней стекла, поглощаются узкими полосками солнечных панелей традиционного типа, находящихся по его краям.

Главным препятствием для внедрения такой технологии является низкий КПД таких панелей — всего 1% против 25% традиционных солнечных панелей. Сейчас учёные ищут способы увеличить КПД хотя бы до 5%, но быстрого решения этой проблемы вряд ли стоит ожидать. К слову, похожую технологию недавно запатентовала компания Apple, но пока неизвестно, где именно в своих устройствах производитель расположит солнечные панели.

До этого мы под словами «батарея» и «аккумулятор» мы подразумевали перезаряжаемый элемент питания, но некоторые исследователи считают, что в гаджетах вполне можно использовать одноразовые источники напряжения. В качестве батареек, которые могли бы работать без подзарядки или другого обслуживания несколько лет (а то и несколько десятков лет) учёные университета штата Миссури предложили использовать РИТЭГ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия РИТЭГ основан на преобразовании выделяющегося в процессе радиораспада тепла в электричество. Многим такие установки известны по использованию в космосе и труднодоступных местах на Земле, но в США миниатюрные радиоизотопные батарейки также применялись в кардиостимуляторах.

Работа над улучшенным типом таких батарей ведётся с 2009 года и даже были показаны прототипы таких элементов питания. Но увидеть радиоизотопные батарейки в смартфонах в ближайшей перспективе мы не сможем: они дороги в производстве, и, к тому же, многие страны имеют строгие ограничения на производство и оборот радиоактивных материалов.

В качестве одноразовых батареек также можно использовать и водородные элементы, но их в смартфонах использовать не получится. Водородные батареи расходуются довольно быстро: хотя ваш гаджет и будет работать от одного картриджа дольше, чем от одного заряда обычной батареи, их придётся периодически менять. Впрочем, это не мешает использовать водородные батареи в электромобилях и даже внешних аккумуляторах: пока это не массовые устройства, но уже и не прототипы. Да и компания Apple, по слухам, уже разрабатывает систему дозаправки картриджей водородом без их замены для использования в будущих iPhone.

Идея о том, что на основе графена можно создать аккумулятор с высокой удельной ёмкостью, была выдвинута ещё в 2012 году. И вот, в начале этого года в Испании было объявлено о начале строительства компанией Graphenano завода по производству графен-полимерых аккумуляторов для электромобилей. Новый тип батарей почти в четыре раза дешевле в производстве, чем традиционные литий-полимерные аккумуляторы, имеет удельную ёмкость 600 Втч/кг, а зарядить такую батарею на 50 кВтч можно будет всего за 8 минут. Правда, как мы говорили в самом начале, для этого потребуется мощность около 1 МВт, поэтому подобный показатель достижим лишь в теории. Когда именно завод начнёт выпускать первые графен-полимерные батареи не сообщается, но вполне возможно, что среди покупателей его продукции будет Volkswagen. Концерн уже заявил о планах выпуска электромобилей с пробегом до 700 километров от одного заряда аккумуляторов к 2018 году.

Что касается мобильных устройств, то пока применению в них графен-полимерных аккумуляторов мешают большие габариты таких батарей. Будем надеяться, что исследования в этой области продолжатся, ведь графен-полимерные аккумуляторы — один из наиболее перспективных типов аккумуляторов, которые могут появиться уже в ближайшие годы.

Так всё же, почему, несмотря на весь оптимизм учёных и регулярно появляющиеся новости о прорывах в области сохранения электроэнергии, мы сейчас наблюдаем застой? В первую очередь, дело в наших завышенных ожиданиях, которые только подогреваются журналистами. Мы хотим верить, что вот-вот и произойдёт революция в мире аккумуляторов, и мы получим батарейку с зарядкой менее, чем за минуту, и практически неограниченным сроком службы, от которой современный смартфон с восьмиядерным процессором будет работать минимум неделю. Но таких прорывов, увы, не бывает. Вводу в массовое производство любой новой технологии предшествуют долгие годы научных исследований, испытаний образцов, разработка новых материалов и технологических процессов и другая работа, занимающая достаточно много времени. В конце концов, тем же литий-ионным аккумуляторам понадобилось около пяти лет, чтобы из инженерных образцов превратиться в готовые устройства, которые можно использовать в телефонах.

Поэтому, нам остаётся только запасаться терпением и не воспринимать новости о новых элементах питания близко к сердцу. По крайней мере, пока не появятся новости об их запуске в массовое производство, когда не останется никаких сомнений о жизнеспособности новой технологии.

Электрокары должны решить немало проблем окружающей среды. Если их заряжать током из возобновляемых источников, то они окажутся практически безвредны для атмосферы. Конечно, если не учитывать их технологически сложного производства. И ехать на электрической тяге без привычного гудения двигателя — просто приятнее. Морокой до сих пор остаются постоянные хлопоты из-за состояния заряда аккумулятора. Ведь если он опустится до нуля и рядом не будет ни одной зарядной станции, то проблем не оберешься.

Есть шесть решающих факторов успешности электрокаров, которые запитаны от аккумуляторных батарей. Прежде всего, речь идет о емкости — то есть сколько электроэнергии может хранить аккумулятор, количество циклического использования батареи — то есть «заряд-разряд», которые аккумулятор выдерживает, прежде чем выйти из строя, и время подпитки — то есть сколько водителю придется ждать, заряжая автомобиль, чтобы ехать дальше.

Не менее важна и надежность самого аккумулятора. Скажем, сможет ли он выдержать поездку в высокогорье или путешествие жаркой летней порой. Конечно, решая, стоит ли покупать электрокар, следует учитывать и такой фактор, как количество станций подзарядки и цену аккумуляторов.

Как далеко уедешь на батареях?

Легковые электрокары, представленные на рынке сегодня, на одном заряде преодолевают дистанции от 150 до более 200 километров. В принципе, эти расстояния можно увеличить, если удвоить или утроить количество аккумуляторов. Но, во-первых, сейчас это было бы настолько дорого, что покупка электромобиля оказалась бы непосильной, а во-вторых, сами электромобили стали бы гораздо тяжелее, поэтому их надо было бы конструировать, рассчитывая на большие нагрузки. А это противоречит цели, которые преследуют компании-производители электрокаров, а именно — легкость конструкции.

К примеру, Daimler недавно представил грузовик на электроприводе, который может преодолевать на одной подзарядке до 200 километров. Однако сам аккумулятор весит не менее двух тонн. Зато двигатель значительно легче, чем у грузовика на дизеле.

Какие аккумуляторы доминируют на рынке?

Современные аккумуляторы, безразлично, идет ли речь о мобильные телефоны, ноутбуки или электрокары, это — почти исключительно варианты так называемых литий-ионных аккумуляторов. Речь идет о разновидности типов аккумуляторов, где щелочной металл литий встречается как в положительных и отрицательных электродах, так и в жидкости — так называемом электролите. Как правило, отрицательный электрод состоит из графита. В зависимости от того, какие еще материалы применяются в положительном электроде, различают, например, литий-кобальтовые (LiCoO2), литий-титановые (Li4Ti5O12) и литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4).

Особую роль играют литий-полимерные аккумуляторы. Здесь электролитом выступает гелеобразная пластмасса. На сегодня эти аккумуляторы — самые мощные из тех, что найдешь на рынке, они достигают емкости энергии до 260 ватт-часов на килограмм. Остальные литиево-ионные аккумуляторы способны максимум на 140 до 210 ватт-часов на килограмм.

А если сравнить типы батарей?

Литий-ионные батареи очень дорогие, прежде всего, из-за высокой рыночной стоимости лития. Однако есть немало преимуществ по сравнению с теми типами сделанных из свинца и никеля аккумуляторов, которые применялись ранее.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы достаточно быстро заряжаются. Это означает, что с обычным током от электросети электрокар можно подзарядить за два — три часа. А на станциях специальной быстрой подзарядки на это может уйти один час.

Старые типы аккумуляторов не имеют таких преимуществ и энергии они могут аккумулировать значительно меньше. Аккумуляторы на никелевой основе имеют емкость энергии от 40 до 60 ватт-часов на килограмм. Еще хуже свойства в свинцовых аккумуляторах — емкость энергии в них около 30 ватт-часов на килограмм. Однако они — значительно дешевле и без проблем выдерживают много лет эксплуатации.

На сколько хватает современных аккумуляторов?

Многие помнят так называемый эффект памяти аккумуляторной батареи в старых аккумуляторах. Больше всего он проявлялся в никелевых аккумуляторах. Тогда, если кто-то думал зарядить аккумулятор шуруповерта или ноутбука, хотя батарея была чуть ли не наполовину заряжена, способность накапливать электрическую энергию удивительно сильно сокращалась. Поэтому перед каждым процессом зарядки следовало полностью расходовать энергию. Для электромобилей это было бы катастрофой, ведь их надо подзарядить именно тогда, когда они находятся на подходящем расстоянии от зарядной установки, а не тогда, когда у аккумулятора кончился заряд.

Зато литий-ионные аккумуляторы не имеют такого «эффекта памяти». Производители обещают до 10 000 циклов «заряд-разряд» и 20 лет бесперебойной работы. В то же время нередко опыт потребителей свидетельствует о другом — аккумуляторы ноутбуков «умирают» уже после нескольких лет работы. Кроме того, нанести непоправимый вред аккумуляторам могут внешние факторы — например, экстремальные температуры или допущенный по недосмотру полный разряд аккумулятора или его перезаряд. Очень важной в современных аккумуляторных батареях является бесперебойная работа электроники, контролирующей процесс подпитки.

Суперакумуляторы — лишь пустой звук?

Эксперты из исследовательского центра Jülich работают над разработкой кремний-воздушных аккумуляторов. Идея воздушных аккумуляторов — не такая уж и новая. Так, ранее пробовали разработать литий-воздушные аккумуляторы, в которых положительный электрод состоял бы из нанокристаллической решетки углерода. При этом сам электрод не участвует в электрохимическом процессе, а выступает лишь как проводник, на поверхности которого восстанавливается кислород.

По такому же принципу действуют и кремниево-воздушные аккумуляторы. Впрочем, они имеют преимущество, как состоящие из очень дешевого кремния, который встречается практически в неограниченном количестве в природе в виде песка. Кроме того, кремний активно используют в полупроводниковой технологии.

В дополнение к потенциально низкой себестоимости производства, технические характеристики воздушных аккумуляторов тоже, на первый взгляд, достаточно привлекательны. Ведь они могут достичь такой емкости энергии, которая превышает сегодняшние показатели втрое, а то и в десять раз.

Однако до выхода на рынок этим разработкам еще далеко. Самой большой проблемой является неудовлетворительно короткая «продолжительность жизни» воздушных аккумуляторов. Она значительно ниже 1000 циклов «заряд-разряд». Определенную надежду подает эксперимент исследователей центра Jülich. Им удалось выяснить, что продолжительность эксплуатации таких аккумуляторов можно значительно повысить, если регулярно наполнять электролит в этих аккумуляторных батареях. Но даже и при таких технических решениях эти аккумуляторы не достигнут и доли той продолжительности эксплуатации, которую имеют сегодняшние литий-ионные аккумуляторные батареи.

Исследователи из Техасского университета в Остине во главе с 94-летним профессором Джоном Гуденафом разработали новый тип твердотельных аккумуляторов. Интересно, что именно Джон Гуденаф является одним из создателей современных литий-ионных аккумуляторов. В 1983 году он и его коллеги предложили использовать кобальтит лития в качестве катода в литий-ионных аккумуляторах. Новая технология предусматривает создание полностью твердотельных аккумуляторов, отличающихся повышенной безопасностью, долговечностью и увеличенной скоростью зарядки в сравнении с традиционными.

“Стоимость, безопасность, плотность энергии, скорость зарядки и разрядки, а также долговечность являются критически важными показателями для аккумуляторов в электромобилях, способными повлиять на увеличение их популярности. Мы считаем, что наше открытие решает многие проблемы, присущие современным аккумуляторам”, – заявил Джон Гуденаф.

Новые аккумуляторы имеют как минимум в три раза большую плотность энергии, чем в современных литий-ионных батареях. Для электромобилей это означает, что они смогут проехать на большее расстояние на одном заряде, а смартфоны смогут похвастать высокой автономностью. Помимо повышенной плотности энергии, новые аккумуляторы также сохраняют свою ёмкость на протяжении большего числа циклов зарядки (до 1 200 циклов), а время их зарядки исчисляется не часами, а минутами.

В современных литий-ионных аккумуляторах используются жидкие электролиты для перемещения ионов лития между анодом и катодом. При слишком быстрой зарядке может возникнуть короткое замыкание, которое зачастую сопровождается взрывом. Исследователи из Техасского университета вместо жидких электролитов использовали стеклянные – они позволяют использовать анод щёлочного металла (лития, натрия или калия) без вероятности образования дендритов.

Ещё одним преимуществом использования стеклянных электролитов вместо жидких является то, что они могут без проблем работать при минусовой температуре. Кроме этого, все элементы такого аккумулятора могут быть изготовлены из экологически чистых материалов.

К сожалению, как и в случае с другими перспективными технологиями производства аккумуляторов, о коммерческом использовании этой разработки пока не идёт речи.

Изобретатель литий-ионных батарей представил новый тип аккумуляторов
Изобретатель литий-ионных батарей представил новый тип аккумуляторов


Исследователи из Техасского университета в Остине создали твердотельные аккумуляторы, которые должны стать более эффективной и полностью безопасной альтернативой литий-ионным батареям. Разработка ведётся под руководством 94-летнего изобретателя Джона Гуденафа, который был одним из создателей литий-ионного аккумулятора почти три десятилетия назад.

Как выяснили экспериментаторы, новый тип батарей обладает в три раза большей энергоёмкостью, быстрее заряжается, выдерживает температуру до −60°C, не взрывается от перегрева или повреждений оболочки и не вредит окружающей среде при утилизации. В качестве материала, накапливающего электроэнергию, в таком аккумуляторе используется не редкий и дорогой литий, а дешёвый натрий, который можно добывать из морской воды так же, как соль.

Литий-ионные аккумуляторы широко распространены и используются почти во всех видах электронных устройств. Принцип их работы онован на перемещении ионов жидкого электролита между анодом и катодом. Если аккумулятор зарядить слишком быстро, в нём могут образоваться «отростки» лития, которые приводят к уменьшению ёмкости, короткому замыканию и даже взрыву батареи. Электролитом в новой батарее Гуденафа служит стекло, что позволяет применять в качестве анода щелочные металлы (например, натрий или калий), которые не образуют отростков. Риск возгорания такой батареи близок к нулю.

«Стоимость, безопасность, энергоёмкость, скорость зарядки и продолжительность использования батареи — это критически важные показатели для дальнейшего распространения электромобилей. Мы считаем, что наша технология поможет решить многие проблемы, которым подвержены современные аккумуляторы», — прокомментировал своё изобретение Джон Гуденаф.

Гуденаф — не первый, кто решил заменить жидкий электролит твердотельным. До него аналогичными экспериментами занимались исследователи из Массачусетского технологического института. Они использовали сульфиды, но выяснили, что этот материал слишком хрупок, поэтому аккумуляторы, созданные на его основе, нельзя использовать в портативной технике и электромобилях.

Литий-ионные аккумуляторы используются в электронике с начала девяностых годов и почти вытеснили все другие виды батарей. За 25 лет заметного прорыва в этой технологии не достигнуто — энергоэффективность таких аккумуляторов хоть и растёт, но очень медленно. Их главные проблемы — опасность взрыва в любой момент без видимых причин и плавная потеря номинальной ёмкости от перезаряда вплоть до полного истощения.

Новый тип батарей от изобретателя литий-ионного аккумулятора
Исследователи из Техасского университета в Остине создали твердотельные аккумуляторы, которые должны стать более эффективной и полностью безопасной альтернативой литий-ионным батареям.

Обычные батареи такого типа оснащены углеродным катодом, в порах которого запасается атмосферный кислород, играющий роль активного материала. При разряде катионы лития движутся с литиевого анода через электролит и вступают в реакцию с кислородом, образуя (в идеале) пероксид лития Li 2 O 2 , задерживающийся на катоде, а электроны идут с анода на катод через цепь нагрузки. Преимуществом литий-воздушных образцов перед традиционными литий-ионными считается бóльшая достижимая плотность энергии.

На характеристики литий-воздушных батарей влияет множество факторов: относительная влажность, парциальное давление кислорода, состав электролита, выбор катализатора и общей компоновки устройства. Необходимо также учитывать, что осаждающиеся на углеродном электроде продукты реакций (Li 2 O 2) блокируют пути проникновения кислорода, ограничивая ёмкость. Воздушный электрод оптимальной конфигурации, таким образом, должен иметь и микроразмерные поры, которые обеспечивают свободное прохождение кислорода, и наноразмерные полости, создающие достаточную плотность участков для реакций Li-O 2 .

Схема функционализированного графенового листа с функциональными группами на обеих его сторонах и краях и дефектами решётки, которые становятся энергетически выгодными участками для захвата продуктов реакций (Li 2 O 2). Дефекты выделены жёлтым и фиолетовым, атомы углерода — серым, кислорода — красным, водорода — белым. Справа показана идеальная пористая структура воздушного электрода. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nano Letters.)

Для создания новых электродов использовались функционализированные графеновые листы, полученные при термической обработке оксида графита. Начальное соотношение C/O у оксида примерно равно двум, но выдерживание при 1050 ˚C в течение всего 30 с позволяет увеличить его до

15 за счёт выделения CO 2 . После ухода диоксида углерода листы приобретают дефекты решётки, которые способствуют образованию изолированных наноразмерных частиц Li 2 O 2 , не блокирующих доступ кислорода при работе батареи.

Подготовленные листы помещались в микроэмульсионный раствор, содержащий связующие вещества. После высыхания электрод приобретал необычную внутреннюю структуру, в которой выделяются неплотно упакованные яйцеобразные элементы. Между ними были проложены широкие ходы, а «скорлупа» элементов содержала многочисленные наноразмерные поры. Другими словами, конструкция электрода была приближена к оптимальной.

Графеновые электроды: сверху — только что изготовленные, снизу — после разряда. Стрелками отмечены частицы Li 2 O 2 . Размеры проставлены в микрометрах.

В экспериментах литий-воздушные батареи с графеновыми электродами (без катализатора) продемонстрировали рекордно высокую ёмкость в 15 000 мА ч в пересчёте на грамм углерода. Такие результаты, отметим, были достигнуты в атмосфере чистого O 2 , на воздухе ёмкость заметно снижается, поскольку в работу устройства вмешивается вода. Авторы уже размышляют над конструкцией мембраны, которая гарантирует защиту от воды, но будет пропускать необходимый кислород.

«Мы также хотим сделать батарею полностью перезаряжаемой, — делится планами руководитель научной группы Цзи-Гуан Чжан (Ji-Guang Zhang). — Для этого понадобятся новый электролит и новый катализатор, и именно они нас сейчас и интересуют».

Разрядная кривая литий-воздушной батареи с графеновым электродом.

Немцы изобрели фторид-ионную аккумуляторную батарею

В дополнение к целой армии электрохимических источников тока учёные разработали ещё один вариант. Его заявленные достоинства — меньшая пожароопасность и в десять раз большая удельная ёмкость, чем у литиево-ионных батарей.

Химики из технологического института Карлсруэ (KIT) предложили концепцию аккумуляторов на основе фторидов металлов и даже испытали несколько небольших лабораторных образцов.

В таких аккумуляторах за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. Анод и катод аккумулятора содержат металлы, которые в зависимости от направления тока (заряд или разряд) по очереди превращаются во фториды или восстанавливаются обратно до металлов.

«Поскольку один атом металла способен принять или отдать сразу несколько электронов, эта концепция позволяет достичь чрезвычайно высокой плотности энергии — до десяти раз выше, чем у обычных литиево-ионных батарей», — говорит один из авторов разработки доктор Максимилиан Фихтнер (Maximilian Fichtner).

Для проверки идеи немецкие исследователи создали несколько образцов таких батарей диаметром 7 миллиметров и толщиной 1 мм. Авторы изучили несколько материалов для электродов (медь и висмут в сочетании с углеродом, например), а электролит создали на основе лантана и бария.

Однако такой твёрдый электролит – это лишь промежуточный шаг. Данный состав, проводящий ионы фтора, хорошо работает только при высокой температуре. Потому химики ищут ему замену – жидкий электролит, который действовал бы при комнатной температуре.

(Подробности можно найти в пресс-релизе института и статье в Journal of Materials Chemistry.)

Что ждет рынок аккумуляторов в будущем, пока сложно прогнозировать. Литиевые батареи пока уверенно правят балом, и у них есть неплохой потенциал, благодаря литий-полимерным разработкам. Внедрение серебряно-цинковых элементов – весьма длительный и дорогостоящий процесс, и его целесообразность пока является дискуссионным вопросом. Технологии на основе топливных элементов и нанотрубок уже много лет восхваляются и описываются самым красивыми словами, однако когда дело доходит до практики, фактические продукты получаются либо слишком громоздкими, либо слишком дорогими, либо и то, и другое вместе взятое. Ясно лишь одно – в ближайшие годы данная отрасль будет продолжать активно развиваться, ведь популярность портативных устройств растет не по дням, а по часам.

Параллельно с ноутбуками, ориентированными на автономную работу, развивается направление настольных ноутов, в которых батарея скорее играет роль резервного ИБП. Недавно в Samsung выпустили подобный ноутбук и вовсе без батареи.

В NiCd -аккумуляторах также существует возможность электролиза. Чтобы в них не скапливался взрывоопасный водород, батареи оснащают микроскопическими клапанами.

В знаменитом институте MIT недавно была разработана уникальная технология производства литиевых аккумуляторов усилиями специально-обученных вирусов.

Несмотря на то, что топливный элемент внешне совершенно не похож на традиционную батарею, работает он по тем же принципам.

А кто еще подскажет какие нибудь перспективные направления?

Изготовлены перспективные графеновые электроды для литий-воздушных батарей
Продолжаю выполнять пожелания моих френдов из октябрьского СТОЛА ЗАКАЗОВ. Читаем вопрос trudnopisaka: Интересно было бы узнать про новые технологии аккумуляторов, которые готовят к серийному производству. Ну конечно же критерий серийного производства несколько растяжимый, но…



Сообщества › Электромобили › Блог › Новые аккумуляторы с увеличенной ёмкостью в 20 раз.

Чех Ян Прохазка создал революционный тип батареи, производство которого уже сейчас готовы финансировать крупнейшие мировые инвесторы.

Новый 3D аккумулятор отличается от ранее известных образцов способом производства. Все дело в том, что в новом аккумуляторе гальванические элементы расположены горизонтально в виде пластин в раме, а не вертикально в виде металлических пленок с активными слоями, как в случае с литиевыми аккумуляторами.
Данная технология способствует снижению затрат на производство, следовательно цена по сравнению с литиевой будет меньше.

Новая технология создания батарей позволяет не только увеличить их емкость как минимум в 20 раз, но и обеспечивает более быструю подзарядку аккумулятора.

Новые сверхъемкие аккумуляторы способны решить главную проблему альтернативной энергетики – долгосрочное хранение накопленной энергии. Кроме того, их можно использовать в электромобилях – в результате дальность хода повысится в разы.

Патентом на 3D аккумулятор обладает фирма HE3DA, которую возглавляет сам создатель новой батареи Ян Прохазк. На данный момент в своей мастерской в Летнянах он выпустил 160 экземпляров.

Изобретение чеха заинтересовало огромное количество крупных инвесторов из Германии и Словакии. Однако наиболее интересным оказалось предложение частного китайского инвестора-миллиардера Ху Юаньпина.

Китаец внес невозвратный залог в размере 5 млн. евро и готов еще заплатить 50 млн. евро за 49% акций фирмы HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Но и на этом щедрость китайского миллиардера не заканчивается, в дальнейшем он планирует инвестировать еще 50 млн. евро, если проект хорошо себя зарекомендует.

Первый завод по производству 3D аккумуляторов появится на севере Моравии в городке Горни-Суха, а уже позже будет налажено массовое производство и в Китае.

Изобретение Прохазки позволит не только сделать более эффективным хранение энергии, полученной от ветряных и солнечных электростанций, но и может быть использовано в электромобилях, что сделает их еще более популярными.

* включён негативконтроллер к комментариям

Сообщества › Электромобили › Блог › Новые аккумуляторы с увеличенной ёмкостью в 20 раз
Метки: 3d аккумулятор, революционный тип батареи, he3da. Чех Ян Прохазка создал революционный тип батареи, производство которого уже сейчас готовы финансировать крупнейшие мировые инвесторы. Новый 3D аккумулятор отличается от ранее известных образцов способом производства. Все дело в том, что в новом аккумуляторе гальванические элементы расположены гориз…

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.

Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Зарядное устройство Bioo


Это устройство в виде специального горшка для растений , использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками


В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы , которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы


В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах . Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу , в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы , превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20-30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку , в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы


Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat , который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера


Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов . Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы


Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы


Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости


Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов : полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки


В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор , который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды , простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу


uBeam — зарядка по воздуху


uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам , в том числе от голосов людей.

StoreDot


Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель


В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

Теги: Добавить метки

Батареи с сахаром, хлором и углеродом. Как и где мы будем хранить энергию в будущем

Международный коллектив ученых создал первую в мире комбинированную батарею, которая подходит для электрокаров. Разработка отличается безопасностью и высокой производительностью: она сохранила 80% своей емкости после 500 циклов зарядки и разрядки. «Хайтех» объясняет, как мы будем хранить энергию в будущем и почему сегодняшние батареи стремительно устаревают.

Телефоны, электрокары, космические станции — для работы всех этих устройств нужны качественные, мощные и надежные батареи, которые выдерживают тысячи циклов зарядки разрядки. Чтобы удовлетворить эти потребности, инженеры и ученые создают необычные аккумуляторы, например, с щелочными металлами, сахаром или углеродом.

Как будет работать батарея будущего?

Международный коллектив ученых во главе с Дарреном Ханом и при участии инженеров LG разработал высокопроизводительную твердотельную батарею с анодом из чистого кремния. Ее назвали батареей будущего, потому что она по своим свойствам превосходит все аналоги.

Для того, чтобы создать такой аккумулятор, авторы скомбинировали два подхода к производству аккумуляторов для электрокаров, поэтому в батарее есть твердотельный электролит и кремниевый анод. Международная группа протестировала получившийся аккумулятор и подтвердила, что он безопасный.

Также его можно использовать не только в электрокарах, но и в электросетях.

Зачем ученые постоянно разрабатывают новые виды батарей, чем плохи те, что мы используем сегодня?

Чаще всего мы используем литий-ионные батареи, их можно встретить везде: в телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах. Такие аккумуляторы далеки от идеальных: они могут долго хранить энергию и в большом количестве, но быстро изнашиваются, а также требовательны к температуре при использовании и не выдерживают регулярных и мощных вибраций. Последнее сказывается на эксплуатации, например, в электромобилях.

Проблема в том, что кристаллическая структура литий-ионных батарей меняется при каждом цикле зарядки разрядки. Это значит, что расположение атомов, которое изначально обеспечивало необходимую производительность, становится другим.

Также в батарее происходит коррозия. Каждый электрод соединен с коллектором тока, обычно это металл, например, медь для анода и алюминий для катода. Если этот связующий элемент начинает портиться и разрушаться, то начинает деформироваться и поверхность коллектора тока. Поэтому если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

Еще одна проблема современных батарей — материал, из которого их делают. В большинстве используется кобальт — 60% от мировых поставок кобальта идет из Конго, поэтому зависимость рынка крайне высока и из-за проблем с импортом могут страдать глобальные производства.

Если литий-ионные батареи работают неэффективно, новейшие батареи с кремниевыми анодами заменят их?

Да, но все не так просто. У любой технологии есть свои минусы. Сегодня аккумуляторы с кремниевым анодом используют, например, в Tesla. По словам Илона Маска, кремний в аккумуляторах электромобилей помогает увеличить запас хода на 6%. Также у таких батарей сравнительно больше удельная емкость — она составляет около 3 600 мА*ч/г.

Но есть и проблемы: например, этот тип анода отличается неустойчивостью, поэтому может быть опасен при эксплуатации. Если он контактирует с жидким электролитом, то кремний плохо справляется с хранением энергии. В таком случае электрический двигатель теряет свою мощность. Именно поэтому сегодня батареи не делают полностью из кремния. Если его процент невелик, то и рост производительности остается минимальным.

Какие еще батареи могут в будущем появиться в наших устройствах?
  • Литий-углеродная батарея

Инженеры из компании Mahle вместе с производителем аккумуляторов Allotrope Energy создали новую архитектуру литий-углеродных аккумуляторов на основе суперконденсаторов. Новая батарея сделана из высокоскоростного анода в сочетании с катодом. Обе части разделяет органический электролит. С помощью нее можно быстро заряжать суперконденсаторы и хранить энергию с высокой плотностью. Разработчикам удалось зарядить с ее помощью электрический мопед за 90 секунд.

  • Литий-серная батарея с сахаром

Авторы другой научной работы создали литий-серную батарею и использовали сахар, чтобы сделать ее более стабильной. Некоторые вещества на основе сахара могут предотвращать деградацию в геологических отложениях, а также поддерживают прочные связи между сульфидами. В результате батарея с сахаром продемонстрировала производительность около 700 мА*ч/г и работала более 1 000 циклов.

  • Батарея с хлором из щелочных металлов

Исследователи из Стэнфордского университета разработали аккумуляторную батарею с хлором из щелочных металлов: она основана на обратном химическом превращении хлорида натрия (Na/Cl2) или хлорида лития (Li/Cl2) в хлор. Полученная ячейка показала довольно высокую разрядную емкость — 2 800 мА*ч/г катода. Но после первого цикла использования емкость уменьшилась в два раза. Не смотря на это, аккумулятор показал хороший результат.


Батареи будущего будут сделаны из распространенных и легко утилизируемых материалов, а также начнут хранить энергию с высокой плотностью и почти не подвергаться коррозии. Пока что инженерам и физикам не удалось создать идеальную формулу для батареи, но потребность в эффективном хранении энергии продолжает расти, поэтому мы увидим еще много необычных решений в этом направлении.

Новые типы аккумуляторов обещают каждый год, но не выводят в


В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

Литий-ионные батареи доминируют на рынке из-за их малого веса и высокой плотности накапливаемой энергии.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов. Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев — кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.


Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius, созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года — министр энергетики США).


Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния, который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок. В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния, которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.


Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.

Виды аккумуляторных батарей

В настоящее время широко используются следующие разновидности автомобильных аккумуляторов:

Классические (сурьмянистые) АКБ. Они состоят из пластин, изготовленных из свинца и сурьмы(не менее 5%). Сурьма применяется для увеличения плотности пластин, но при этом она ускорят процесс электролиза, из-за чего вода, выполняющая роль электролита, быстро испаряется. Такие АКБ в настоящее время практически невозможно найти в продаже.

Малосурьмянистые. В пластины таких АКБ добавляют меньше количества сурьмы, благодаря чему электролит практически не испаряется. Кроме того, подобные батареи значительно меньше разряжаются при хранении. В настоящее время именно такие АКБ являются самыми распространенными, они выпускаются под таким брендами, как Contact, Bolk, Sputnic и т.д.

Кальциевые. При изготовлении пластин таких АКБ вместо сурьмы применяется кальций, что обеспечивает более высокий уровень КПД и энергоемкости. Недостаток подобных батарей заключается в том, что они плохо переносят резкие перепады напряжения, теряют энергоемкость при перезаряде, а также стоят значительно больше малосурьмянистых. Такие АКБ продаются под брендами Bars, AFA, AKASKA и т.д.

Гибридные. В таких АКБ положительные электроды являются малосурьмянистыми, а отрицательные кальцевыми. Такие батареи совмещают в себе преимущества кальциевых и малосурьмянистых. Они выпускаются под брендами SilverStar, AkTex, Cobat и т.д.

Гелевые. Особенность подобных батарей заключается в том, что электролит в них содержится не в жидкой форме, а в гелеобразном состоянии, что позволяет свести к минимуму его утечку при повреждении корпуса. Недостаток таких батарей заключается в том, что они нестабильно работают при низких температурах. Подобные батареи выпускаются под брендами Moratti, Renault и т.д.

Эффективные аккумуляторы

Эффективность элементов питания напрямую связана с плотностью энергии химических веществ. График ниже показывает, что комбинации материалов, например, литий-сера или металл-воздух, значительно лучше аккумулируют энергию. Литиево-серные (LiS) аккумуляторы обеспечивают усовершенствование катода: сера в катоде, так же как и кремний в аноде, может накапливать больше лития.


В следующем поколении аккумуляторов используются сера и цинк. Большим потенциалом обладают только биоаккумуляторы.

Ранее разработанные LiS-прототипы со значением 350 Вт·ч/кг обеспечивают большую плотность энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, однако они тоже не достигли предела. На пути увеличенной эффективности стоят две проблемы: теоретическая плотность энергии на практике может быть достигнута только в том случае, если использовать в аноде чистый литий.


Сера может хранить больше лития в катоде, что увеличивает плотность энергии. Литий-серные аккумуляторы (разработка университета Беркли) дополнительно используют оксид графена как переносчик энергии и дезинфицирующее средство (СТАВ) в качестве защитного слоя.

Сера может хранить больше лития в катоде, что увеличивает плотность энергии. Литий-серные аккумуляторы (разработка университета Беркли) дополнительно используют оксид графена как переносчик энергии и дезинфицирующее средство (СТАВ) в качестве защитного слоя.

Это затруднительно, так как он реагирует с электролитом. Однако то же самое делает и сера, а именно — ионы полисульфида, которые подобным же образом перемещаются к аноду и там разлагают литий или осаждаются в форме сульфида лития Li2S. Такой аккумулятор выдерживает лишь небольшое число циклов зарядки.

Команде исследователей общества Фраунгофера под руководством профессора Хольгера Альтуэса удалось «защитить» серу. Они «обернули» ее углеродной оболочкой и использовали аналогичную оболочку на аноде. Прототип выдержал две тысячи циклов зарядки.

К 2021 году Альтуэс ожидает выхода на рынок LiS-аккумуляторов с плотностью энергии около 600 Вт·ч/кг, что примерно втрое превышает значения литий-ионных аккумуляторов.

Хранение энергии

Цинково-воздушные аккумуляторы пригодны для не слишком тяжелых устройств, так как при разрядке они используют кислород. Специалисты стартап-проекта Imprint Energy разработали подобный гибкий аккумулятор, подходящий для применения в лэптопах.
Химическую реакцию лития с кислородом используют металл-воздушные аккумуляторы: при разрядке атомы металла в аноде реагируют с кислородом воздуха и выделяют электроны. Затем они перемещаются через электролит в форме ионов к катоду. Потенциальная плотность энергии (1100 Вт·ч/кг) намного превышает значения литий-ионных аккумуляторов.

Цинково-воздушные батареи применяются уже давно, однако цинк разрушается при разрядке. Чтобы этого не происходило в аккумуляторах, во время подзарядки кислород на катоде должен быть удален.

Таким образом из ионов металла вновь возникает цинк. Кроме того, требуется особый катализатор, такой как раствор калия, в качестве защиты от воздуха для цинкового электрода с целью предотвращения его нежелательного окисления.

В стартап-проекте Imprint Energy разработаны даже готовые к печати аккумуляторы с полимерным катализатором, которые благодаря своей гибкости превосходно подходят для малогабаритных уст­ройств.

Поскольку для цинково-воздушных аккумуляторов требуется постоянный обмен воздуха, они мало пригодны для мобильных устройств, однако в будущем смогут использоваться в электромобилях, тем более что они не содержат горючих материалов. Накопленная энергия едва ли уменьшается в течение десятилетий, что делает эти аккумуляторы весьма интересными.

Технологиями по заблуждениям

В беседе со специалистами Курского аккумуляторного завода неожиданно всплыла тема, старая, как черный обслуживаемый аккумулятор. Мол пластины в современных батареях тонкие, свинца мало, работать такая АКБ не будет — умрет в первую зиму. И вообще: хороший аккумулятор — тяжелый аккумулятор! Да, заблуждения вещь живучая…

Ну что тут сказать — времена меняются, а с ними меняются и технологии. Поверхность современных «тонких» электродов зачастую больше, чем у их «тяжелых» предков. Существующие технологии производства позволяют изготавливать такие электроды с высокой точностью, прочностью и коррозионной стойкостью. Применение специальных добавок в активной массе и сплавах решеток увеличивает срок службы электродов, повышает их коррозионную стойкость и активность. По удельному показателю емкость/масса сегодняшние батареи заметно эффективней аккумуляторов прошлых поколений. То есть, сейчас все АКБ — «легкие». А электрические характеристики батареи и ее долговечность зависят в первую очередь от применяемых материалов и технологий. И от качества изготовления, конечно. Так что весы, отправляясь за новым аккумулятором, можно с собой не брать.

Аккумулятор народного потребления

Использование сил природы

В современных аккумуляторах электроны испускают только твердые материалы. Но существует также концепция окислительно-восстановительного потока или жидкостных ячеек: две растворенные соли металлов перемещаются рядом в отдельных контурах. Они приводятся в движение с помощью насосов и соприкасаются на проницаемой мембране. Происходит ионообмен, а ячейка разряжается и вновь заряжается при подаче тока.

Такая система имеет смысл для применения в электромобилях: вместо того, чтобы тратить многие часы на зарядку автомобиля от розетки, его можно заправить, как это делается сегодня с применением бензина. При этом необходимо просто заменить отработанную жидкость новой, после чего жидкостный аккумулятор будет вновь заряжен.

Автомобиль Quant массой 2,3 т приводится в действие от 400-литровой жидкостной ячейки и якобы предлагает дальность поездки около 600 км.

На Женевском автосалоне в 2014 году был представлен подобный автомобиль (Quante), дальность поездки которого якобы составляет 600 км, однако данные получены только в процессе моделирования. Ответы на проблемы материалов жидкостных ячеек до сих пор могут дать только исследовательские лаборатории.

В Массачусетском технологическом институте разработана жидкостная ячейка без мембраны, в которой две жидкости в процессе ионообмена не смешиваются при ламинарном течении. Благодаря этому исследователи смогли работать с бромом, который во время разрядки восстанавливается до бромоводорода. Использование брома позволит еще вдвое увеличить плотность энергии ванадиево-жидкостной ячейки.


Аккумуляторы, действующие на принципе окислительно-восстановительного потока (разработка Гарвардского университета), дости­гают восьмикратной плотности энергии по сравнению с жидкостными ячейками. Для этого они используют AQDS (антрахинон-дисульфонат) и бромид, получаемые из ревеня. Электроды освобождаются и заряжаются путем обмена ионами водорода.

Биоаккумуляторы побеждают всех

Органические вещества очень хороши в качестве энергоносителей. Они недороги и, как правило, не ядовиты. Исследователи Гарвардского университета разработали жидкостную ячейку, извлекающую энергию хранения из антрахинона-дисульфоната (AQDS) — составной части ревеня. Однако они не могут отказаться от использования брома.


Аккумулятор, разработанный в Виргинском техническом колледже, в качестве накопителя энергии использует сахар (мальтодекстрин), который разрушается ферментами при разрядке. В нем достигается примерно десятикратная плотность энергии по сравнению с литий-ионными моделями.

Пока неясно, сможет ли выдержать биоячейка несколько тысяч циклов зарядки, однако барьер в несколько сотен циклов она уже преодолела.

Настолько же эффективно, как и «ревеневая ячейка», действует сахарно-воздушный аккумулятор (разработка специалистов Политехнического университета Виргинии). Плотность энергии в подобной системе почти в десять раз превышает значения современных литий-ионных аккумуляторов.

Анод из мальтодекстрина плавает в растворе различных ферментов, которые постепенно разрушают его, освобождая при этом электроны. Руководители исследовательской группы прогнозируют возможность применения «сахарных» аккумуляторов в мобильных устройствах уже через три года, однако подобные прогнозы в отношении биоаккумуляторов впоследствии оказываются малореалистичными.

Так, компания Sony еще семь лет назад заявила о разработках в области биоаккумуляторов, но с тех пор мало что произошло. Опыт показывает, что для разработки чудо-батарей требуется довольно много времени.

Новый тип проточных аккумуляторов создали российские учёные

Российские химики создали новый вид аккумуляторов, вырабатывающих ток по принципу взаимодействия двух жидкостей. Представленные батареи имеют упрощённую конструкцию и гораздо ниже по стоимости в сравнении с существующими аналогами.

По словам одного из соавторов идеи Дмитрия Конева, научного сотрудника Института проблем химической физики Российской академии наук, интеграция подобных носителей энергии уже активно проходит в энергосистемы КНР и ФРГ, однако их доработка и улучшение эксплуатационных характеристик продолжается и в настоящее время.

Учёным из России удалось создать принципиально новый вид ячейки мембранно-электродных блоков у проточных АКБ. Такая конструкция значительно упростит последующие исследовательские работы и даст возможность многим научным группам принять участие в разработках прототипов подобных аккумуляторов.

Проточные АКБ — сравнительно новый метод хранения электроэнергии. Её получают путём химических реакций между двумя растворами веществ. Такие аккумуляторы обычно состоят из двух резервуаров, помп, электродов и специальной тонкой пластины, способствующей обмену зарядами из содержащихся в ёмкостях растворов, не смешивающихся при этом друг с другом.


Принцип действия проточного АКБ. Фото: R. Pichugov et al./ChemPlusChem

Проточные батареи обладают интересной особенностью — даже при многочисленных циклах «разряда-заряда» содержание электролита и вступающих в реакцию веществ в них не снижается, что выгодно отличает их от Li-Ion (твёрдых) АКБ. Но отрицательным фактором в переходе к массовому использованию подобных энергоносителей является то, что производство не отличается простотой и дешевизной. Также проточные аккумуляторы очень медленно накапливают заряд.

Самой главной и технически сложной частью в проточной АКБ является мембранно-электродный блок, создание которого и упростили учёные из РХТУ, ИПХФ, РАН, МФТИ, а также Института физической химии и электрохимии РАН.


Схематичное изображение мембранно-электродного блока проточной батареи. Фото: R. Pichugov et al./ChemPlusChem

Мембранно-электродный блок — многослойная структура, выполненная из полупроницаемой мембраны, графитовых пластин и электродов из металла, пропускающих электролитические растворы с реагирующими химическими веществами. Главным элементом в таком «бутерброде» выступает пластинка проточных полей, проводящая электролит к электродам.

Обычно состав и геометрия всех частей мембранно-электродных блоков компонуется таким образом, чтобы создать максимально возможное взаимодействие электролитических растворов, что, соответственно, стимулирует максимальную отдачу энергии. Сейчас технология производства пластины проточных полей заключается в фрезеровке в твёрдых графитовых мембранах — очень долгий процесс. Российские же исследователи предложили альтернативный метод.

Как говорит Роман Пичугов, сотрудник РХТУ, проточные поля формируются с использованием определённого количества тонких слоёв материалов из углерода: в них лазером делаются необходимые контуры, затем происходит наложение слоёв друг на друга, в итоге получается требуемое поле и итоговая объёмная картина. По времени этот способ гораздо быстрей традиционного и в общей сложности занимает несколько минут, экономя средства и ресурсы.

Жизнеспособность проточных АКБ подтверждена практическими испытаниями. В своей научной работе российские специалисты применяли ванадиевые электролиты, использующиеся в китайских промышленных аналогах. Как показала практика, новые аккумуляторы находится на одном уровне по энергоэффективности с лучшими зарубежными образцами.

Зарядка без розетки

В будущем электроэнергию для смартфонов можно будет вырабатывать даже посреди лесной глуши. Исследователи из США и Китая разработали крошечные генераторы, которые способны использовать для зарядки даже самые слабые вибрации. Эти устройства состоят из поливинилиденфторида (PVDF) — материала, генерирующего ток при давлении и деформации. Как правило, фторопласты используются для уплотняющих покрытий и фильтров, а также находят применение в динамиках и микрофонах.


Новые процессоры поглощают энергию радиоволн и обмениваются при этом сообщениями, они не нуждаются в электроэнергии

Для производства генераторов в полимерную массу вводят частицы оксида цинка, которые затем растворяют соляной кислотой. В результате остается губчатая структура, изготовленная из мягкого и гибкого материала с крупными отверстиями, являющаяся чрезвычайно чувствительной к колебаниям всех видов.


Наногенераторы на базе PVDF подходят для любого современного смартфона

В конце производственного процесса получается PVDF-пленка, на которую с обеих сторон наносится тонкая медная фольга в качестве электродов. Если наногенераторы устанавливаются на смартфон, достаточно, чтобы устройство во время поездки просто лежало на пассажирском сиденье. Вибрации заряжают аккумулятор: при частоте колебаний 40 Гц прототип достиг пиковых значений 11 В и 9,8 микроампер.

Энергия кожи

Известно, что электроэнергия может выделяться при трении. Было создано устройство, которое получает электроэнергию от кожи человека. Энергии достаточно для питания 12 LED лампочки. В будущем эта технология позволит создавать носимую электронику и умную одежду без батарей.

Как это работает? Электроэнергия собирается электродом, который представляет из себя золотую пленку толщиной 50 нанометров. Золотая пленка находится на силиконовой подложке и имеет достаточно большую площадь контакта. И так как кожа обладает трибоэлектрическими свойствами, устройство может быть достаточно миниатюрным. Ученые уже продемонстрировали гаджет, который может работать от данного источника энергии.

Перспективные технологии для аккумуляторов будущего

Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает.

Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы. Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью. Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.

Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора. Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков. Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.

Идет ли речь об электромобиле или мобильных устройствах, универсальные требования к аккумулятору будущего очевидны – он должен быть меньше, легче и накапливать значительно больше энергии. Какие перспективные разработки в этой области могут удовлетворить данные требования?

Литий-ионные и литиево-полимерные батареи

На сегодняшний день в мобильных устройствах наибольшее распространение получили литий-ионные и литиево-полимерные батареи. Что касается литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion), то они производятся еще с начала 90-х годов. Их главное преимущество – достаточно высокая энергетическая плотность, то есть способность сохранять определенный объем энергии на одну единицу массы. Кроме того, в таких батареях отсутствует пресловутый «эффект памяти» и имеется сравнительно низкий саморазряд.

Использование лития вполне обоснованно, ведь этот элемент обладает высоким электрохимическим потенциалом. Недостатком всех литиево-ионных батарей, коих на самом деле в настоящее время насчитывается большое количество видов, является достаточно быстрое старение аккумулятора, то есть резкое снижение характеристик при хранении или длительном использовании батареи. К тому же, потенциал емкости современных литий-ионных батарей, судя по всему, уже практически исчерпан.

Дальнейшим развитием литий-ионной технологии являются литиево-полимерные источники питания (Li-Pol). В них вместо жидкого электролита используется твердый материал. В сравнении со своим предшественником, литиево-полимерные батареи имеют более высокую энергетическую плотность. Вдобавок, теперь стало возможным производить батареи практически в любой форме (литий-ионная технология требовала только цилиндрической или прямоугольной формы корпуса). Такие батареи обладают небольшими габаритами, что позволяет с успехом применять их в различных мобильных устройствах.

Однако появление литиево-полимерных батарей кардинальным образом не изменило ситуацию, в частности, потому, что такие батареи не способны отдавать большие токи разряда, а их удельная емкость все же недостаточна, чтобы избавить человечество от необходимости постоянной подзарядки мобильных устройств. Плюс ко всему, литиево-полимерные аккумуляторы довольно «капризны» в эксплуатации, они имеют недостаточную прочность и склонность к возгоранию.

Перспективные технологии

 

В последние годы ученые и исследователи в различных странах активно работают над созданием более совершенных технологий аккумуляторных батарей, способных уже в ближайшем будущем прийти на смену существующим. В этом плане можно выделить несколько наиболее перспективных направлений:

Литий-серные батареи (Li-S)

Литий-серный аккумулятор – перспективная технология, энергоемкость подобной батареи в два раза выше, чем у литий-ионных. Но в теории она может быть еще выше. В таком источнике питания используется жидкий катод с содержанием серы, при этом он отделен от электролита особой мембраной. Именно за счет взаимодействия литиевого анода и серосодержащего катода была существенно увеличена удельная емкость. Первый образец подобного аккумулятора появился еще в 2004 году. С того момента был достигнут определенный прогресс, благодаря чему усовершенствованный литий-серный аккумулятор способен выдерживать полторы тысячи циклов полной зарядки-разрядки без серьезных потерь в емкости.

К преимуществам данного аккумулятора также можно отнести возможность применения в широком диапазоне температур, отсутствие необходимости в использовании усиленных компонентов защиты и сравнительно низкую себестоимость. Интересный факт – именно благодаря применению такого аккумулятора в 2008 году был поставлен рекорд по продолжительности полета на воздушном судне на солнечных батареях. Но для массового выпуска литиево-серного аккумулятора ученым еще придется решить две основные проблемы. Требуется найти эффективный способ утилизации серы, а также обеспечить стабильную работу источника питания в условиях смены температурного или влажностного режима.

Магниево-серные батареи (Mg/S)

Обойти традиционные литиевые батареи могут и аккумуляторы, базирующиеся на соединении магния и серы. Правда, до последнего времени никто не мог обеспечить взаимодействие этих элементов в одной ячейке. Сам магниево-серный аккумулятор выглядит очень интересным, ведь его энергетическая плотность может доходить до более чем 4000 Вт-ч/л. Не так давно благодаря американским исследователям, по всей видимости, удалось решить основную проблему, стоящую на пути разработки магниево-серных батарей. Дело в том, что для пары магний и сера не было никакого подходящего электролита, совместимого с этими химическими элементами.

Однако ученые сумели создать такой приемлемый электролит за счет образования особых кристаллических частиц, обеспечивающих стабилизацию электролита. Образец магниево-серного аккумулятора включает в себя анод из магния, сепаратор, катод из серы и новый электролит. Впрочем, это только первый шаг. Перспективный образец, к сожалению, пока не отличается долговечностью.

Фторид-ионные батареи

Еще один интересный источник питания, появившийся в последние годы. Здесь за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. При этом анод и катод содержат металлы, преобразующиеся (в соответствии с направлением тока) во фториды, либо восстанавливающиеся обратно. Благодаря этому обеспечивается значительная емкость батареи. Ученые заявляют, такие источники питания имеют энергетическую плотность, в десятки раз превосходящую возможности литий-ионных батареек. Помимо значительной емкости, новые аккумуляторы также могут похвастаться существенно меньшей пожароопасностью.

На роль основы твердого электролита было перепробовано множество вариантов, но выбор, в конечном счете, остановился на лантане бария. Хотя фторид-ионная технология кажется очень перспективным решением, она не лишена недостатков. Ведь твердый электролит может стабильно функционировать лишь при высоких температурах. Поэтому перед исследователями стоит задача отыскать жидкий электролит, способный успешно работать при обычной комнатной температуре.

Литий-воздушные батареи (Li-O2)

В наши дни человечество стремится к использованию более «чистых» источников энергии, связанных с генерацией энергии солнца, ветра или воды. В этом плане очень интересными представляются литий-воздушные батареи. В первую очередь, они рассматриваются многими экспертами в качестве будущего электромобилей, но с течением времени могут найти применение и в мобильных устройствах. Такие источники питания обладают очень высокой емкостью и при этом сравнительно малыми размерами. Принцип их работы следующий: вместо оксидов металла в позитивном электроде применяется углерод, который вступает в химическую реакцию с воздухом, в результате чего создается ток. То есть для выработки энергии здесь частично используется кислород.

Использование кислорода в качестве активного материала катода имеет свои существенные преимущества, ведь он является практически неисчерпаемым элементом, а самое главное, абсолютно бесплатно берется из окружающей среды. Считается, что плотность энергии у литий-воздушных батарей сможет достигать впечатляющей отметки в 10 000 Втч/кг. Может быть, в недалеком будущем подобные батареи смогут поставить электромобили в один ряд с машинами на бензиновом двигателе. Кстати, аккумуляторы подобного типа, выпущенные для мобильных гаджетов, уже можно встретить в продаже под названием PolyPlus.

Литий-нанофосфатные батареи

Литий-нанофосфатные источники питания – это следующее поколение литиево-ионных батареек, которые характеризуются высокой отдачей тока и сверхбыстрой зарядкой. Для полной зарядки такой батареи требуется всего пятнадцать минут. Они также допускают в десять раз больше циклов зарядки в сравнении со стандартными литий-ионными элементами. Таких характеристик удалось добиться благодаря использованию особых наночастиц, способных обеспечить более интенсивный поток ионов.

К достоинствам литий-нанофосфатных батарей можно отнести также слабый саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и способность работать в условиях широкого диапазона температур. Литий-нанофосфатные батареи уже доступны в продаже и применяются для некоторых типов устройств, однако их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес в сравнении с современными литий-ионными или литийево-полимерными аккумуляторами.

В действительности, перспективных технологий в области создания аккумуляторных батарей гораздо больше. Ученые и исследователи работают не только над созданием принципиально новых решений, но и над улучшением характеристик существующих литий-ионных батареек. Например, за счет использования кремниевых нанопроводов или разработки нового электрода, обладающего уникальной способностью к «самозаживлению». В любом случае уже не за горами тот день, когда наши телефоны и другие мобильные устройства будут жить целые недели без подзарядки.

 

Apple работает над новыми аккумуляторами

Наверное не всем известно, но компания Apple рассматривает возможность создания Apple Car. Поэтому вполне логично, что купертиновцы разрабатывают новые виды аккумуляторов. Современные электрические автомобили используют литий ионные батареи, такие же как и в продуктах эпл. Такой вид накопителей является наиболее распространенным и востребованным на рынке. Они оставили далеко позади старые свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аналоги.

Стоит отметить, что техника эпл имеет отличный потенциал, но совершенству нет предела. Так на вопрос об улучшении уже имеющихся гаджетов, большое количество пользователей предлагает расширить потенциал аккумуляторов и сделать устройства более автономными. По некоторым данным, компания последние два месяца провела в поисках решений по улучшению литий ионных источников питания.

Не будем углубляться в технические моменты того, как работают современные аккумуляторы, но пока компания экспериментирует с разными видами материалов для улучшения их работы. Одним из вариантом является возвращения серебряно-цинковой батареи, которая по своей себестоимости дороже современных, но имеет большую емкость. Также для своей работы она использует воду, что предотвращаете воспламенение. Для снижение цены Apple может использовать масштабное производство.

Производители iPhone уже получили патент на твердотельные батареи, которые считаются большим шагом в развитии технологии аккумуляторов. Сообщается, что такая батарея может иметь емкость в пять раз превышающая соответствующий параметр литий ионных. Это означает, что компания может создать новый, лучший аккумулятор с высокой безопасностью при использовании и увеличенным временем работы. Мало того, это может стать новым стандартом во всей отрасли по производству батарей.

Apple открыла несколько вакансий связанных с разработкой и поиском инновационных решений для улучшения аккумуляторов. На данный момент для увеличения времени работы вашего эпл устройства приходиться использовать либо оригинальные чехлы-аккумуляторы, либо внешние аккумуляторы от других производителей.

Прорыв в области аккумуляторов значительно повышает их емкость

Технологии аккумуляторов отстали от всех других электрических и электронных разработок на десятилетия. Некоторые инженеры утверждают что мы, на самом деле, не намного продвинулись от разработки «долгоживущей» свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, которая до сих пор успешно используется с момента ее изобретения в 1859 году. Причина ее долгого срока службы заключается в том, что очень немногие новые батареи смогли обеспечить необходимую емкость в разумной по размеру упаковке.

Самым крупным новшеством в последнее время стала литий-ионная батарея с превосходной емкостью на единицу веса, которая постепенно заменяла многие другие виды аккумуляторов в портативной аппаратуре, такой как смартфоны. Также li-ion аккумулятор рассматривается в качестве основного источника питания в наших будущих автомобилях, электромобилях и гибридных авто. Но теперь, согласно недавнему заявлению ученых, все может кардинально измениться.

На своей недавней пресс-конференции Battery Advanced Development Inc. заявила о своей революционной технологии изготовления аккумуляторов. Новая батарея использует необычную комбинацию «химикатов» для электродов и электролита, «эликсир», который они не разглашают. В отличие от некоторых новых видов аккумуляторных батарей, которые требуют специальных редких и дорогостоящих химических компонентов, эта батарея использует множество ингредиентов, которые все легко доступны из существующих ресурсов.

В ожидании патентов компания работает над выпуском фирменного продукта. Теперь, когда работа над химическими процессами внутри аккумулятора была завершена, следующим шагом является серийное производство и вывод новых аккумуляторных батарей на глобальный рынок.

Обзор нового аккумулятора

Компания еще не определилась с физическим форм-фактором, но, очевидно, будет возможно производить стандартные размеры, такие как ячейки D, C, AA и AAA. И он не должен быть таким же большим, как типичный автомобильный аккумулятор.

На пресс-конференции они показали прототип размером с колоду карт. У него впечатляющие характеристики. Номинальное выходное напряжение составляет 13 В, что заставляет задуматься, какой химический «коктейль» они используют. Напряжение на ячейке составляет 4,3 В, и для создания 13-вольтовой батареи требуется всего три ячейки.

Но это не совсем откровение. Эта батарея может выдавать столько же тока, сколько и автомобильный аккумулятор. Одна из демонстраций пресс-конференции была посвящена запуску автомобиля с новым миниатюрным аккумулятором. Как если бы у вас в кармане рубашки была обычная батарея DieHard или Interstate. Впечатляет.

Хорошая и плохая новости

Новая батарея действительно является серьезной разработкой. Это изменит некоторые подходы, но не затронет массовое применение батарей. Начнем с того, что это первичная батарея, а не вторичная, поэтому она не заряжается. Когда весь заряд израсходован, вам необходимо заменить аккумулятор, что довольно дорого, по крайней мере только на начальном этапе.

Вместо того, чтобы оставить свой электромобиль на ночь на зарядку, вы просто открываете капот автомобиля и заменяете аккумуляторы, как если бы вы меняли элементы AA в фонарике. Это хорошая новость для компании, производящей аккумуляторы, так как потребуется постоянное снабжение. Пришло время покупать запасы в Battery Advanced Development?

Другая плохая новость заключается в том, что необходимо утилизировать уйму разряженных батарей. Там не было никакого обсуждения этого процесса. Возможно ли восстанавливать аккумулятор или его перерабатывать с минимальными расходами?

Но посмотрите на положительную сторону. Такие аккумуляторы, наконец, сделают электромобили практичными. И, возможно, они приведут к таким приложениям, как замена домов на солнечных панелях на аккумуляторы. Или минимизирует потребность в энергии ветра. Основываясь на хорошем сроке службы батарей, вы можете управлять своим домом от нескольких таких аккумуляторов и инверторов. Вам просто нужно держать запас сменных батарей под рукой, так как они в конечном итоге выйдут из строя.

Представьте себя в автомобильной поездке. Во время движения ваш электромобиль полностью разрядился. Вы достаете запасной аккумулятор и просто замените его. Он не такой большой или тяжелый, как запасное колесо. Для вашего электромобиля требуется уровень напряжения около 800 В (недавний стандарт для тяговых электродвигателей электромобилей). Такой тип аккумуляторов может существенно повысить популярность электромобилей при поездках на дальние дистанции.

А что вы об этом думаете?

Да, это значительный прорыв в области производства аккумуляторов, но с оговорками. Минусов больше, чем плюсов? И забудьте о зарядке, это не вариант. Держите запасную батарею в своем электромобиле всегда. К счастью, данный вид аккумуляторов имеет небольшие габаритные размеры. Пока другие пользователи электромобилей будут ждать в очереди на зарядной станции (или эвакуатор, так как на периферии зарядных станций для электромобилей не так уж и много), вы будете на несколько часов впереди.

Основатели компании и ее дочерней компании завершили пресс-конференцию кратким описанием функционала для будущих инвесторов. Станет ли фабрика аккумуляторов на миллион квадратных футов в пустыне Юты реальностью? Время инвестировать или нет? Взлетит ли данная технология или это очередной стартап, который через некоторое время канет в лету?

Какие новые технологии станут двигателем будущего? »Зеленая власть

Литий-ионные батареи захватили мир. Tesla сделала на них большую ставку и построила Gigafactory, который теперь выпускает автомобильные аккумуляторы Tesla, а также Powerwall и блоки питания для дома и бизнеса. многие другие производители работают над собственными цепочками поставок литий-ионных аккумуляторов.

Но аккумуляторные технологии являются передовыми. Мы находимся в одном прорыве от одной из множества альтернатив литий-ионным аккумуляторам.Литий-ионные батареи могут быть вчерашней новостью и занять свое место рядом с дискетами в мусорном баке истории.

Также читайте: Лучшие электрические мотоциклы — Лучшие электромобили — Лучшие электросамокаты

Итак, каковы вероятные претенденты на звание источника энергии будущего? Вот наш выбор лучших литий-ионных альтернатив, но имейте в виду, что это может быть комбинация или развитие любой из этих технологий, которые в конечном итоге могут выиграть гонку за замену литий-ионных.

10 вариантов литий-ионных батарей

1. Водородные топливные элементы

Toyota все еще использует автомобили на водородных топливных элементах, и не только она пытается найти решение. Почему? Что ж, при сжигании водорода вода образуется только как побочный продукт, он исключительно эффективен и намного чище, чем литий, когда дело доходит до его производства и переработки в конце срока службы автомобиля.

Но есть один камень преткновения, и он огромен.

Прямо сейчас мы просто не можем производить достаточно водорода, не обращаясь к ископаемым видам топлива, что вроде бы не соответствует действительности. Исследователи во всем мире работают с генетически модифицированными водорослями и другими методами преобразования воды в водород, но сейчас производство водорода просто не рентабельно.

Если кто-то сможет разгадать водородную головоломку, он легко может стать более популярным, чем литий-ионные батареи.

2. Литий-сера

Это вряд ли взгляд футуриста в далекое будущее — литий-серные батареи появляются, и они могут поступить в продажу в течение нескольких лет.То есть, если лучшие технологии не стоят на первом месте.

Sony работает над этой технологией и утверждает, что новые литий-серные батареи будут иметь на 40% более высокую плотность энергии и более низкие производственные затраты, чем современные литий-ионные батареи.

Есть проблемы, поскольку электроды изнашиваются слишком быстро для коммерческого применения прямо сейчас, но ряд организаций работают над решением этого камня преткновения. Литий-сера может стать промежуточной заменой литий-ионной, а не радикальной заменой, но она уже на подходе и будет значительным улучшением.

3. Графеновые суперконденсаторы

Батареи могут исчезнуть более или менее в одночасье, если мы наконец овладеем нанотехнологиями и создадим стабильную и пригодную для использования версию графена. Конечно, это может означать, что мы получим и лучшие батареи, но графеновые суперконденсаторы должны быть лучшим вариантом.

Суперконденсаторы

могут заряжаться и разряжаться намного эффективнее, чем аккумулятор. Таким образом, хотя они содержат меньше энергии на единицу объема, они могут гораздо лучше выполнять работу по подаче энергии и подзарядке.Если мы действительно сможем производить их из графена, мы вернем плотность энергии за счет снижения веса и улучшения упаковки.

Графен является ключом к огромному квантовому скачку человечества. Как только мы сможем сделать это коммерчески, это изменит мир материаловедения, носимых технологий и многого другого. Мы пытаемся разгадать загадку графена более десяти лет, и некоторые из самых ярких умов мира пока не смогли этого сделать. Они доберутся до цели, мы уверены в этом, но мы не знаем, когда у нас появятся коммерчески доступные листы графена.

4. Проточные окислительно-восстановительные батареи

По данным Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США, за этой батареей будущее, и трудно спорить с потенциалом этой новой двухжидкостной батареи. Но это гонка вооружений, и случиться может буквально все.

Добавив в смесь соляную и серную кислоту, исследователи создали прототип батарей с удельной энергией на 70% больше, чем у литий-ионных батарей аналогичных размеров.

Они прямо нацелены на рынок Powerpack и могут хранить энергию от ветряных и солнечных ферм.Если они могут предложить в четыре раза больший срок службы и гораздо больший объем хранилища, возобновляемые источники энергии должны быть в состоянии обеспечивать удаленные общины постоянным электричеством и заменять электрические подстанции.

Они также могут разогнать автомобиль до 1000 миль на одной зарядке и сделать его быстрее, хотя в любом случае мы начинаем достигать пределов реальной производительности. Таким образом, проточные батареи с окислительно-восстановительным потенциалом могут, вместо этого, дать возможность снизить вес электромобилей завтрашнего дня и предложить аналогичный уровень производительности и гораздо больший запас хода.

Не ожидаю увидеть их в ближайшее время, но они скоро появятся.

5. Алюминиево-графитовые батареи

Стэнфордский университет создал алюминиевую батарею, которая может сократить время зарядки. Смартфон может полностью зарядиться всего за 60 секунд, а автомобиль — за минуты.

Прямо сейчас выходного напряжения 1,5 В недостаточно для автомобиля, приличного телефона или чего-то еще, но исследователи работают над этим. С алюминиевым отрицательно заряженным катодом и графитовым анодом он безопасен, легкий и обладает потенциалом для повышения плотности энергии.

Мы даже близко не подошли к идеальной, коммерчески жизнеспособной алюминиево-графитовой батарее. Но его можно будет посмотреть в будущем.

6. Биоэлектрохимические батареи

В этой технологии используются анаэробные бактерии для обработки ацетата методом восстановления / окисления, при котором высвобождаются электроны. Он находится в зачаточном состоянии, и исследователи из Нидерландов получили только прототип через 15 циклов подзарядки. Этого даже недостаточно, так что биоэлектрохимические батареи какое-то время не подходят.

Если это действительно принесет плоды, биоэлектрохимическая батарея станет естественным помощником для солнечных панелей, поскольку исследователи настраивают батарею для хранения энергии в течение 16 часов, а затем высвобождают ее в течение следующих восьми часов.

Технически бактерии могут воспроизводиться, а батарея может иметь почти бесконечный срок службы, но предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем эта литий-ионная альтернатива станет реальностью производства.

7. Солнечные батареи

Прямо сейчас солнечные панели ужасно неэффективны.В основном они отстой. У Fisker Karma была солнечная крыша, и это дало ему всего одну милю дополнительной дальности, но это должно измениться. Илон Маск серьезно поработал над солнечной крышей, нанотехнология могла бы совершить качественный скачок сама по себе, а солнечные панели будущего станут намного лучше.

Они могут быть настолько хороши, что в ближайшие годы вся поверхность автомобиля может стать солнечной панелью. Этого было бы достаточно, чтобы привести машину в действие? Да, мы думаем, что это действительно так.

Мы уже видели солнечные прототипы в гонках на выносливость, так что это не так уж и надуманно.Предстоит пройти долгий путь, и панели должны стать лучше, но они будут. Таким образом, автомобили будущего действительно могут быть полностью самодостаточными и даже возвращать энергию в сеть.

8. Автодороги

Что, если бы у машины вообще не было собственного привода? Что, если дорога является источником энергии, а автомобиль эффективно работает как гораздо более продвинутый гоночный автомат, который просто поглощает энергию?

Что ж, это уже произошло в Швеции, в очень грубой форме, где грузовики подключаются к воздушным линиям электропередач.В Нидерландах также есть «солнечная дорога», которая на самом деле представляет собой велосипедную дорожку, которая снабжает энергией фонари и другие периферийные устройства.

О дорогах с электроприводом можно много сказать, поскольку мы можем взять все батареи, которые установлены в отдельных автомобилях, и упростить все это дело. Автомобили станут легче, они будут меньше наносить ущерб дорогам, а процесс производства энергии станет в десять раз умнее.

Мы могли бы использовать батареи, солнечную, ветровую и гидроэлектрическую энергию, в зависимости от уникального ландшафта, для создания наиболее эффективного энергоснабжения.Теоретически это лучший способ делать что-то, но есть множество проблем.

Инвестиции в инфраструктуру будут огромными, и мы просто не сможем снять аккумуляторы с автомобилей, пока вся дорожная сеть не будет под напряжением. Мы не уверены, что это действительно произойдет, по крайней мере, при нашей жизни.

9. Тонкопленочные батареи

Это не столько полная замена, сколько новое поколение литий-ионных, литий-серных или других устройств, которые у нас есть в то время.Как следует из названия, это просто их уменьшение и нанесение пленки из оксида металла.

Твердые электролиты также могут действовать как электролит, связующее и разделитель, удаляя компоненты. Компактность основных компонентов до нанометров или микрометров означает, что весь аккумуляторный элемент может иметь толщину всего миллиметры.

Это означает, что мы можем упаковать намного большую плотность в каждый блок питания, а углеродные нанотрубки могут предложить еще более эффективную батарею.

Таким образом, батареи с аналогичным радиусом действия могут стать меньше или, что более вероятно, диапазон может значительно увеличиться.

Единственный камень преткновения — это коммерческая жизнеспособность. Современные методы производства включают импульсное лазерное осаждение, магнетронное распыление, химическое осаждение из паровой фазы и золь-гель обработку. Все они дорогие, но простой прогресс в 3D-печати может сделать тонкопленочные батареи массовым потреблением и потенциально повысить плотность заряда батареи на порядок в мгновение ока.

Настоящая проблема в том, что как только мы освоим эту технологию, твердотельные батареи будут на расстоянии досягаемости, а тонкопленочные батареи могут никогда не увидеть свет.

10. Твердотельные батареи

Твердотельные накопители (SSD) помогли вывести систему хранения данных на новый уровень в ноутбуках, и та же технология может продвинуть вперед технологию производства аккумуляторов. Технически твердотельные батареи могут обеспечить такой же скачок, что и тонкопленочные батареи по сравнению с литий-ионными.

Твердотельные батареи

не только обладают преимуществами с точки зрения эффективности и упаковки, но и будут намного безопаснее. Риск возгорания снижен практически до нуля, и недавние аварии Tesla доказали, что это может быть бонусом. Батарея теоретически может прослужить всю жизнь, и погода не повлияет на их эффективность.

Исследования

MIT и Samsung могут означать, что мы полностью откажемся от тонкопленочных батарей и сразу перейдем к твердотельным батареям. Но это не будет коммерчески жизнеспособным в течение многих лет.


Вот и все. Все это многообещающие потенциальные альтернативы нашим нынешним батареям на основе литий-ионных аккумуляторов, которые все больше отстают от других технологий. Как вы думаете, какая из этих литий-ионных альтернатив может преобладать?

Кредит предоставленного изображения: Тошиюки Имаи

Категории Новости

По словам экспертов, переход на твердотельные батареи может быть «плавным».

Недавние достижения в технологии твердотельных аккумуляторов побудили некоторых крупных производителей электромобилей увеличить финансирование исследований и разработок нового типа литий-ионных аккумуляторов. аккумулятор.Несмотря на то, что на сегодняшний день коммерческое применение аккумуляторных батарей в электромобилях препятствует экономическим и конструктивным проблемам, некоторые автопроизводители поставили цели развертывания на середину десятилетия.

Твердотельные батареи привлекли внимание производителей обещанием повышения безопасности, плотности энергии и дальности действия электромобилей. Вместо горючих жидких электролитов, используемых в обычных литий-ионных батареях, производители аккумуляторных элементов устанавливают твердотельные батареи с электролитами в твердой форме.

Наряду с возможностью более быстрой зарядки без риска возгорания, переход на твердотельные батареи, скорее всего, мало повлияет на существующие цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов, инфраструктуру или цены на металл для аккумуляторов, считают аналитики.

Solid Power Inc. производит твердотельные батареи для электромобилей и продвинула кремниевые, полностью твердотельные батареи на производственные линии в Колорадо в рамках более широких усилий по поставке новых линий электромобилей, сообщила компания 24 мая.

Ford Motor Co. первоначально инвестировала в стартап в Колорадо в 2019 году. В начале мая Solid Power получила инвестиции серии B в размере 130 миллионов долларов от Ford и Bayerische Motoren Werke AG для развития аккумуляторных технологий нового поколения.

Вместо капитального ремонта уже существующей инфраструктуры Solid Power предлагает адаптировать традиционные линии и оборудование для производства литий-ионных аккумуляторов для производства твердотельных аккумуляторов.

«Ценностное предложение здесь состоит в том, что мы можем войти прямо в существующие литий-ионные производственные мощности и использовать то же самое оборудование [и] точно такие же процессы [для] переключения этих линий со вчерашних литий-ионных на твердотельные устройства завтрашнего дня», Об этом заявил 1 июня генеральный директор и соучредитель Solid Power Дуг Кэмпбелл во время конференции, организованной Benchmark Mineral Intelligence.

Ford планирует направить большую часть своих капитальных вложений в линии по производству литий-ионных аккумуляторов на производство твердотельных аккумуляторов.

«Мы с нетерпением ждем реализации этих улучшений и сотрудничества с Solid Power, чтобы беспрепятственно и быстро интегрировать их полностью твердотельные аккумуляторные элементы на основе сульфидов в существующие процессы производства литий-ионных элементов более эффективно, чем производители твердотельных аккумуляторных элементов на основе оксидов. может », — говорится в заявлении от 3 мая Теда Миллера, менеджера Ford по исследованиям в области подсистем электрификации и электроснабжения.

По словам Кэмпбелла, компания

Solid Power поставила цель к началу 2022 года начать пилотное производство своего кремниевого анода с высоким содержанием кремния с емкостью 100 ампер-часов с целью коммерциализации его в 2026 году.

«Мы не так уж далеки от того, чтобы иметь работающие твердотельные батареи, которые работают и надежны», — сказал Каспар Роулз, аналитик Benchmark Mineral Intelligence, S&P Global Market Intelligence. «Возможно, эти батареи появятся примерно в середине десятилетия, а может, и чуть позже».

Исследования твердотельных батарей не новость.Однако стоимость остается одним из основных препятствий на пути широкомасштабной коммерциализации аккумуляторов для электромобилей, отметил Роулз.

«Как и все новые технологии, я ожидал, что они поначалу будут дороже», — сказал Роулз. Аналитик назвал безумие коммерциализации батареи «гонкой до дна с точки зрения стоимости или цены».

Это означает, что твердотельные батареи, скорее всего, будут использоваться в военных дронах или спортивных автомобилях высокого класса, а не в крупномасштабных электромобилях, сказал Роулз.

Твердотельные аккумуляторы могут быть интегрированы в существующие цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов и, по мнению аналитиков, окажут минимальное влияние на спрос на металлы для аккумуляторов. Во-первых, замена жидкого электролита твердым электролитом требует использования ограниченного количества материала, хотя твердотельные батареи могут потребовать меньше сырья, чем батареи других электромобилей.

«В любом случае это очень небольшая часть материалов, поэтому я не думаю, что это слишком серьезная проблема для отрасли», — сказал Роулз.«И мы по-прежнему будем использовать литий-ионные аккумуляторы, как сегодня».

Автопроизводитель Volkswagen AG сделал аналогичные шаги и в 2012 году начал работать с технологической компанией QuantumScape Corp., чтобы заблокировать технологию твердотельных аккумуляторов, а в 2018 году запустил совместное предприятие.

В середине мая компании заключили соглашение о выборе места в Германии для завода по производству полупроводниковых батарей. Volkswagen инвестировал 100 миллионов долларов в QuantumScape в 2018 году и еще 200 миллионов долларов в 2020 году.

Генеральный директор и соучредитель компании

QuantumScape Джагдип Сингх заявил 14 мая, что компания надеется вывести на рынок свою твердотельную батарею «как можно скорее». Компания обрисовала в общих чертах планы в сентябре 2020 года выйти на биржу путем слияния на 3,3 миллиарда долларов.

Тем не менее, до того, как твердотельные батареи начнут массовое производство, остается несколько препятствий, — сказала Ребекка Сиз, доцент кафедры машиностроения и экологической инженерии в Университете Пердью. «Мы как бы находимся в этой серой зоне между полным переходом», — сказал Сиез.

Для некоторых тестируемых составов твердотельных электролитов потребуются дополнительные материалы, такие как лантан, редкоземельный элемент или германий, ниобий, тантал или цирконий, пояснил Сиез. Это может вызвать необходимость в дополнительных возможностях обработки, если аккумулятор будет масштабирован для использования в электромобилях. Но в целом материалы в твердотельных аккумуляторах будут в значительной степени отражать материалы, используемые в обычных катодах литий-ионных аккумуляторов, такие как никель, кобальт, марганец, железо и алюминий.

«Были забиты агрессивные голы», — добавил Сиез. «Некоторые люди говорят, что к 2025 году эти вещи будут коммерциализированы. Но это скоро произойдет».

Прибывают

миллионов электромобилей. Что происходит со всеми дохлыми батареями? | Наука

Аккумулятор Tesla Model S — это произведение сложной инженерной мысли. Тысячи цилиндрических ячеек с компонентами, полученными со всего мира, преобразуют литий и электроны в энергию, достаточную для того, чтобы автомобиль мог снова и снова проехать сотни километров без выбросов из выхлопной трубы.Но когда срок службы батареи подходит к концу, ее зеленые преимущества исчезают. Если он попадает на свалку, его клетки могут выделять проблемные токсины, в том числе тяжелые металлы. А переработка батареи может быть опасным делом, предупреждает материаловед Дана Томпсон из Университета Лестера. Если врезаться слишком глубоко в ячейку Тесла или в неправильном месте, она может вызвать короткое замыкание, возгорание и выделение токсичных паров.

Это лишь одна из многих проблем, с которыми сталкиваются исследователи, в том числе Томпсон, которые пытаются решить возникающую проблему: как утилизировать миллионы аккумуляторов для электромобилей (EV), которые производители планируют производить в течение следующих нескольких десятилетий.Современные аккумуляторы электромобилей «на самом деле не предназначены для вторичной переработки», — говорит Томпсон, научный сотрудник Института Фарадея, исследовательского центра, занимающегося проблемами аккумуляторов в Соединенном Королевстве.

Это не было большой проблемой, когда электромобили были редкостью. Но сейчас технологии набирают обороты. Некоторые автопроизводители заявили, что планируют отказаться от двигателей внутреннего сгорания в течение нескольких десятилетий, и отраслевые аналитики прогнозируют, что к 2030 году на дорогах появится не менее 145 миллионов электромобилей по сравнению с 11 миллионами в прошлом году.«Люди начинают понимать, что это проблема», — говорит Томпсон.

Правительства постепенно начинают требовать некоторого уровня переработки. В 2018 году Китай ввел новые правила, направленные на поощрение повторного использования компонентов аккумуляторных батарей электромобилей. Ожидается, что Европейский Союз завершит свои первые требования в этом году. В Соединенных Штатах федеральное правительство еще не выдвинуло требования об утилизации, но несколько штатов, включая Калифорнию, крупнейший автомобильный рынок страны, изучают возможность установления своих собственных правил.

Соблюдение требований будет непросто. Батареи сильно различаются по химическому составу и конструкции, что затрудняет создание эффективных систем утилизации. Клетки часто скрепляются прочным клеем, что затрудняет их разборку. Это привело к возникновению экономических препятствий: производителям аккумуляторов зачастую дешевле покупать только что добытые металлы, чем использовать переработанные материалы.

Материаловед Дана Томпсон разрабатывает растворители для извлечения ценных металлов из отработанных автомобильных аккумуляторов.

Институт Фарадея

Более совершенные методы переработки не только предотвратят загрязнение, отмечают исследователи, но и помогут правительствам повысить свою экономическую и национальную безопасность за счет увеличения поставок основных металлов для батарей, которые контролируются одной или несколькими странами. «С одной стороны, [утилизация аккумуляторов электромобилей] — это проблема управления отходами. А с другой стороны, это возможность для производства устойчивого вторичного потока критически важных материалов», — говорит Гэвин Харпер, исследователь из Бирмингемского университета, изучающий электромобили. вопросы политики.

Чтобы ускорить переработку отходов, правительства и промышленность вкладывают деньги в целый ряд исследовательских инициатив. Министерство энергетики США (DOE) вложило около 15 миллионов долларов в центр ReCell для координации исследований ученых из академических кругов, промышленности и государственных лабораторий. Соединенное Королевство поддержало проект ReLiB, объединяющий несколько организаций. По словам Линды Гейнс, которая занимается переработкой аккумуляторов в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, по мере роста индустрии электромобилей потребность в прогрессе становится насущной.«Чем раньше мы сможем все сдвинуть с мертвой точки, — говорит она, — тем лучше».

Аккумуляторы

EV сконструированы как матрешки. Обычно основной пакет содержит несколько модулей, каждый из которых состоит из множества ячеек меньшего размера (см. Рисунок ниже). Внутри каждой ячейки атомы лития перемещаются через электролит между графитовым анодом и катодным листом, состоящим из оксида металла. Батареи обычно определяются металлами в катоде. Существует три основных типа: никель-кобальт-алюминий, фосфат железа и никель-марганец-кобальт.

В настоящее время переработчики в первую очередь нацелены на металлы в катоде, такие как кобальт и никель, которые стоят дорого. (Литий и графит слишком дешевы для переработки, чтобы быть экономичным.) Но из-за небольшого количества металлы подобны иголкам в стоге сена: их трудно найти и восстановить.

Новая жизнь для отработанных ячеек

Ученые работают над тем, чтобы аккумуляторы для электромобилей, которые продаются сегодня, можно было переработать в 2030 году и в последующий период, когда тысячи аккумуляторов будут исчерпывать свой ресурс каждый день.Батареи для электромобилей бывают разных конструкций, но, как правило, они имеют общие компоненты. C. Bickel / Science

Чтобы извлечь эти иглы, переработчики используют два метода, известных как пирометаллургия и гидрометаллургия. Более распространенной является пирометаллургия, при которой переработчики сначала механически измельчают элемент, а затем сжигают его, оставляя обугленную массу из пластика, металлов и клея. На этом этапе они могут использовать несколько методов для извлечения металлов, включая дальнейшее сжигание. «Pyromet, по сути, обращается с батареей как с рудой» прямо из шахты, — говорит Гейнс.Гидрометаллургия, напротив, включает погружение аккумуляторных материалов в лужи с кислотой, в результате чего получается насыщенный металлами суп. Иногда два метода сочетаются.

У каждого есть свои преимущества и недостатки. Пирометаллургия, например, не требует, чтобы переработчик знал конструкцию или состав батареи, или даже то, полностью ли она разряжена, чтобы двигаться вперед безопасно. Но это энергоемко. Гидрометаллургия может извлекать материалы, которые нелегко получить путем сжигания, но может включать химические вещества, представляющие опасность для здоровья.А извлечение желаемых элементов из химического супа может быть трудным, хотя исследователи экспериментируют с соединениями, которые обещают растворять определенные металлы батареи, но оставляют другие в твердой форме, что облегчает их восстановление. Например, Томпсон определил одного кандидата, смесь кислот и оснований, называемую глубоким эвтектическим растворителем, которая растворяет все, кроме никеля.

Оба процесса производят большие отходы и выделяют парниковые газы, как показали исследования. И бизнес-модель может быть шаткой: большинство операций зависит от продажи рекуперированного кобальта, чтобы оставаться в бизнесе, но производители аккумуляторов пытаются отказаться от этого относительно дорогого металла.Если это произойдет, переработчики могут остаться пытаться продавать груды «грязи», — говорит материаловед Ребекка Сиз из Университета Пердью.

Круги вторсырья

Пирометаллургия превращает отработанные батареи в шлак, а гидрометаллургия растворяет их в кислотах. Оба нацелены на извлечение катодных материалов. Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катод восстанавливается в неповрежденном виде. Но для того, чтобы переработка была жизнеспособной, она должна быть конкурентоспособной по стоимости с добытыми материалами. C. Bickel / Science

Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катодная смесь останется нетронутой.Это привлекательно для производителей аккумуляторов, потому что переработанные катоды не потребуют тяжелой обработки, отмечает Гейнс (хотя производителям, возможно, все равно придется оживлять катоды, добавляя небольшое количество лития). «Так что, если вы думаете об экономике замкнутого цикла, [прямая переработка] — это меньший круг, чем пиромет или гидромет».

При прямой переработке рабочие сначала собирают электролит пылесосом и измельчают аккумуляторные элементы. Затем они удаляли связующие с помощью тепла или растворителей и использовали технику флотации для разделения материалов анода и катода.В этом случае материал катода напоминает детскую присыпку.

До сих пор эксперименты по прямой переработке были сосредоточены только на отдельных элементах и ​​дали всего десятки граммов катодных порошков. Но исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии США построили экономические модели, показывающие, что этот метод, если его масштабировать при правильных условиях, может быть жизнеспособным в будущем.

Однако для реализации прямой утилизации производителям батарей, переработчикам и исследователям необходимо решить множество проблем.Один из них — убедиться, что производители маркируют свои батареи, чтобы переработчики знали, с какими элементами они имеют дело, и имеют ли катодные металлы какую-либо ценность. Гейнс отмечает, что с учетом быстро меняющегося рынка аккумуляторов катоды, производимые сегодня, могут не найти будущего покупателя. Переработчики будут «возвращать динозавра. Никому не нужен продукт».

Техник из Германии проверяет разрядку сгоревшей литий-ионной батареи перед дальнейшей переработкой.

Вольфганг Раттай / Reuters

Еще одна проблема — это эффективное вскрытие открытых батарей электромобилей.Для демонтажа прямоугольного аккумуляторного отсека Nissan Leaf может потребоваться 2 часа. Ячейки Тесла уникальны не только своей цилиндрической формой, но и практически неразрушимым полиуретановым цементом, который удерживает их вместе.

Исследователи отмечают, что инженеры

могут создавать роботов, которые могут ускорить разборку батареи, но проблемы остаются даже после того, как вы попадете внутрь ячейки. Это связано с тем, что для удержания анодов, катодов и других компонентов на месте используется больше клея. Один из растворителей, который используют переработчики для растворения катодных связующих, настолько токсичен, что Европейский Союз ввел ограничения на его использование, а U.Агентство S. по охране окружающей среды определило в прошлом году, что это представляет «необоснованный риск» для рабочих.

«С точки зрения экономики, вам нужно разобрать… [и] если вы хотите разобрать, то вам нужно избавиться от клея», — говорит Эндрю Эбботт, химик из Университета Лестера и советник Томпсона.

Чтобы упростить процесс, Томпсон и другие исследователи призывают производителей электромобилей и аккумуляторов разрабатывать свои продукты с учетом вторичной переработки. По словам Эбботта, идеальный аккумулятор был бы похож на рождественский взломщик U.K. праздничный подарок, который открывается, когда получатель тянет за каждый конец, показывая конфету или сообщение. В качестве примера он приводит Blade Battery, литий-феррофосфатный аккумулятор, выпущенный в прошлом году китайским производителем электромобилей BYD. В его упаковке отсутствует компонент модуля, вместо этого плоские ячейки хранятся непосредственно внутри. Ячейки легко снимаются вручную, без борьбы с проволокой и клеем.

Blade Battery появилась после того, как в 2018 году в Китае начали возлагать на производителей электромобилей ответственность за утилизацию аккумуляторов.В настоящее время в стране перерабатывается больше литий-ионных батарей, чем во всем остальном мире вместе взятых, в основном с использованием пиро- и гидрометаллургических методов.

Страны, переходящие к аналогичной политике, сталкиваются с рядом острых вопросов. Во-первых, говорит Томпсон, кто должен нести основную ответственность за переработку. «Это моя ответственность, потому что я купил [электромобиль], или это ответственность производителя, потому что они его сделали и продают?»

В Европейском Союзе один ответ может появиться позже в этом году, когда официальные лица опубликуют первое правило континента.Ожидается, что в следующем году группа экспертов, созданная штатом Калифорния, вынесет рекомендации, которые могут иметь большое влияние на любую политику США.

Между тем исследователи

Recycling говорят, что эффективная переработка аккумуляторов потребует большего, чем просто технологический прогресс. Высокая стоимость перевозки горючих предметов на большие расстояния или через границу может препятствовать переработке. В результате размещение центров переработки в правильных местах может иметь «огромное влияние», — говорит Харпер.«Но существует реальная проблема в системной интеграции и объединении всех этих различных фрагментов исследований».

Нельзя терять время зря, говорит Эбботт. «Чего вы не хотите, так это производства батареи за 10 лет, которую невозможно разобрать», — говорит он. «Этого еще не произошло, но люди кричат ​​и опасаются, что это произойдет».

Графеновые батареи: введение и новости рынка

Графен и батареи

Графен, лист атомов углерода, связанных вместе в структуру сотовой решетки, широко известен как «чудо-материал» из-за множества удивительных свойств, которые он имеет.Это мощный проводник электрической и тепловой энергии, чрезвычайно легкий, химически инертный и гибкий с большой площадью поверхности. Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для множества применений.

Преимущества графеновых батарей

В области батарей традиционные материалы электродов батарей (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, прочной и подходящей для хранения энергии большой емкости, а также сокращать время зарядки.Это продлит срок службы батареи, что отрицательно связано с количеством углерода, нанесенного на материал или добавленного к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимость, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может различными способами улучшить такие характеристики батареи, как плотность энергии и форма. Литий-ионные батареи (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена на анод батареи и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батарей. Гибрид оксида ванадия (VO 2 ) и графена, например, может использоваться на литий-ионных катодах и обеспечивать быструю зарядку и разрядку, а также большую долговечность цикла зарядки. В этом случае VO 2 предлагает высокую энергоемкость, но низкую электропроводность, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которую можно прикрепить VO 2 — создавая гибридный материал, который одновременно усилил емкость и отличная проводимость.

Другой пример — батареи LFP (литий-железо-фосфатные), которые представляют собой перезаряжаемые литий-ионные батареи. У него более низкая плотность энергии, чем у других литий-ионных аккумуляторов, но более высокая плотность мощности (показатель скорости, с которой батарея может поставлять энергию). Усовершенствование катодов LFP графеном позволило батареям стать легкими, заряжаться намного быстрее, чем литий-ионные батареи, и иметь большую емкость, чем обычные батареи LFP.


В дополнение к революционным изменениям на рынке аккумуляторов совместное использование графеновых аккумуляторов и графеновых суперконденсаторов может дать потрясающие результаты, такие как отмеченная концепция увеличения дальности хода и эффективности электромобиля.Хотя графеновые батареи еще не получили широкого распространения, о прорыве в области батарей сообщают по всему миру.

Основные сведения об аккумуляторах

Аккумуляторы служат мобильным источником энергии, позволяя устройствам, работающим от электричества, работать без прямого подключения к розетке. Несмотря на то, что существует много типов батарей, основная концепция их функционирования остается схожей: один или несколько электрохимических элементов преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую. Батарея обычно состоит из металлического или пластикового корпуса, содержащего положительную клемму (анод), отрицательную клемму (катод) и электролиты, которые позволяют ионам перемещаться между ними.Сепаратор (проницаемая полимерная мембрана) создает барьер между анодом и катодом для предотвращения электрических коротких замыканий, а также позволяет переносить ионные носители заряда, которые необходимы для замыкания цепи во время прохождения тока. Наконец, используется коллектор для проведения заряда вне батареи через подключенное устройство.

Когда цепь между двумя выводами замыкается, батарея вырабатывает электричество в результате серии реакций.На аноде протекает реакция окисления, в которой два или более иона электролита объединяются с анодом с образованием соединения, высвобождая электроны. В то же время на катоде происходит реакция восстановления, в которой катодное вещество, ионы и свободные электроны объединяются в соединения. Проще говоря, анодная реакция производит электроны, в то время как реакция на катоде поглощает их, и в результате этого процесса вырабатывается электричество. Батарея будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока на электродах не закончатся вещества, необходимые для создания реакций.

Типы и характеристики батарей

Батареи делятся на два основных типа: первичные и вторичные. Первичные батареи (одноразовые) используются один раз и приходят в негодность, поскольку материалы электродов в них необратимо меняются во время зарядки. Распространенными примерами являются угольно-цинковые батареи, а также щелочные батареи, используемые в игрушках, фонариках и множестве портативных устройств. Вторичные батареи (перезаряжаемые) можно разряжать и перезаряжать несколько раз, поскольку исходный состав электродов может восстановить работоспособность.Примеры включают свинцово-кислотные батареи, используемые в транспортных средствах, и литий-ионные батареи, используемые для портативной электроники.

Батареи бывают разных форм и размеров для множества различных целей. У разных типов батарей есть разные преимущества и недостатки. Никель-кадмиевые (NiCd) батареи имеют относительно низкую удельную энергию и используются там, где важны долгий срок службы, высокая скорость разряда и экономичная цена. Их можно найти, среди прочего, в видеокамерах и электроинструментах. Никель-кадмиевые батареи содержат токсичные металлы и вредны для окружающей среды.Никель-металлогидридные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем никель-кадмиевые, но также более короткий срок службы. Приложения включают мобильные телефоны и ноутбуки. Свинцово-кислотные батареи тяжелые и играют важную роль в приложениях с большой мощностью, где не важен вес, а экономическая цена. Они широко используются в больничном оборудовании и аварийном освещении.

Литий-ионные (Li-ion) батареи используются там, где важны высокая энергия и минимальный вес, но технология хрупкая, и для обеспечения безопасности требуется схема защиты.Приложения включают сотовые телефоны и различные типы компьютеров. Литий-ионно-полимерные (литий-ионные полимерные) аккумуляторы в основном используются в мобильных телефонах. Они легкие и имеют более тонкую форму, чем литий-ионные батареи. Кроме того, они обычно более безопасны и живут дольше. Однако они кажутся менее распространенными, поскольку литий-ионные батареи дешевле в производстве и имеют более высокую плотность энергии.

Батареи и суперконденсаторы

Хотя есть определенные типы батарей, которые способны накапливать большое количество энергии, они очень большие, тяжелые и медленно выделяют энергию.Конденсаторы, с другой стороны, могут быстро заряжаться и разряжаться, но содержат гораздо меньше энергии, чем аккумулятор. Однако использование графена в этой области открывает новые захватывающие возможности для хранения энергии с высокими скоростями заряда и разряда и даже с экономической доступностью. Таким образом, улучшенные характеристики графена стирают традиционную грань между суперконденсаторами и батареями.

Графеновые батареи сочетают в себе преимущества как батарей, так и суперконденсаторов

Графеновые батареи почти здесь

Графеновые батареи имеют захватывающий потенциал, и, хотя они еще не полностью коммерчески доступны, исследования и разработки интенсивны и, надеюсь, принесут результаты в будущее.Компании по всему миру (включая Samsung, Huawei и другие) разрабатывают различные типы батарей с улучшенным графеном, некоторые из которых сейчас выходят на рынок. Основные области применения — электромобили и мобильные устройства.

В некоторых батареях графен используется периферийно, но не в химии батарей. Например, в 2016 году Huawei представила новую литий-ионную батарею с улучшенным графеном, в которой используется графен, чтобы сохранять работоспособность при более высоких температурах (60 ° градусов по сравнению с существующим пределом в 50 °) и обеспечивать удвоенное время работы.Для лучшего отвода тепла в этом аккумуляторе используется графен — он снижает рабочую температуру аккумулятора на 5 градусов.

Дополнительная литература

Пять новых аккумуляторных технологий для электромобилей

Как показывает набор новых моделей автомобилей 2016 года, электромобили наконец-то набирают обороты на рынке. На рубеже 20-го века более четверти всех автомобилей в Соединенных Штатах были электрическими, но к 1920-м годам электромобили практически исчезли.Это исчезновение во многом было связано с недостаточным запасом хода и мощностью аккумуляторов электромобилей по сравнению с бензиновыми двигателями. Кроме того, электромобили были значительно дороже своих бензиновых аналогов. Эти же жалобы можно услышать и сегодня, хотя технология аккумуляторов, безусловно, улучшилась за последнее столетие. В области аккумуляторных технологий проводится много исследований и разработок, направленных на повышение производительности при обеспечении того, чтобы аккумуляторы были легкими, компактными и доступными.

Итак, каковы новейшие инновации в аккумуляторных технологиях и что они значат для рынка электромобилей?

  1. Литий-ионные батареи

    Литий-ионные батареи (LIB) в настоящее время используются в большинстве электромобилей, и вполне вероятно, что они останутся доминирующими в следующем десятилетии. Несколько производителей, включая Tesla и Nissan, вложили значительные средства в эту технологию. В LIB положительно заряженные ионы лития перемещаются между анодом и катодом в электролите.LIB имеют высокую цикличность — количество раз, когда аккумулятор можно перезарядить, сохраняя при этом свою эффективность, — но низкую плотность энергии — количество энергии, которое может храниться в единице объема. LIB заработали плохую репутацию из-за перегрева и возгорания (например, самолеты Boeing, автомобили Tesla, ноутбуки), поэтому производители не только работали над повышением стабильности LIB, но и разработали множество механизмов безопасности, чтобы предотвратить повреждение батареи. загореться.

    LIB, представленные сегодня на рынке, в основном используют графитовые или кремниевые аноды и жидкий электролит.Литиевый анод долгое время был святым Граалем, потому что он может хранить много энергии в небольшом пространстве (то есть имеет высокую плотность энергии) и очень легкий. К сожалению, литий нагревается и расширяется во время зарядки, в результате чего вытекшие ионы лития накапливаются на поверхности батареи. Эти наросты приводят к короткому замыканию батареи и сокращают ее общий срок службы. Исследователи из Стэнфорда недавно добились прогресса в решении этих проблем, сформировав на литиевом аноде защитный наносферный слой, который перемещается вместе с литием при его расширении и сжатии.

  2. Движение ионов и электронов лития в литий-ионной батарее во время зарядки и использования.

    Источник: Аргоннская национальная лаборатория. Используется по лицензии Creative Commons.

  3. Твердотельные батареи

    Твердотельные батареи состоят из твердых компонентов. Такая конструкция обеспечивает несколько преимуществ: отсутствие опасений по поводу утечки электролита или возгорания (при условии использования негорючего электролита), увеличенный срок службы, снижение потребности в громоздких и дорогих охлаждающих механизмах и возможность работы в расширенном температурном диапазоне.Твердотельные батареи могут развиваться на основе улучшений, сделанных в других типах батарей. Например, Sakti3 пытается коммерциализировать твердотельные LIB при финансовой поддержке General Motors Ventures. Другие производители автомобилей, такие как Toyota и Volkswagen, также изучают твердотельные батареи для питания своих электромобилей.

  4. Алюминиево-ионные аккумуляторы

    Алюминиево-ионные аккумуляторы похожи на LIB, но имеют алюминиевый анод. Они обещают повышенную безопасность при меньшей стоимости по сравнению с LIB, но исследования все еще находятся в зачаточном состоянии.Ученые из Стэнфорда недавно решили один из самых больших недостатков алюминиево-ионной батареи, ее способность к циклированию, с помощью металлического алюминиевого анода и графитового катода. Это также позволяет значительно сократить время зарядки и возможность сгибаться. Исследователи из Окриджской национальной лаборатории также работают над улучшением технологии алюминиево-ионных аккумуляторов.

  5. Литий-серные батареи

    Литий-серные батареи (Li / S) обычно имеют литиевый анод и серо-углеродный катод.Они предлагают более высокую теоретическую плотность энергии и более низкую стоимость, чем LIB. Их низкая цикличность, вызванная расширением и вредными реакциями с электролитом, является основным недостатком. Однако недавно была улучшена циклируемость Li / S батарей. Аккумуляторы Li / S в сочетании с солнечными батареями привели в действие знаменитый трехдневный полет беспилотного летательного аппарата Zephyr-6. НАСА инвестировало в твердотельные Li / S-батареи для исследования космоса, и Oxis Energy также работает над коммерциализацией Li / S-батарей.

  6. Металло-воздушные батареи

    Металло-воздушные батареи имеют анод из чистого металла и катод из окружающего воздуха. Поскольку катод обычно составляет большую часть веса батареи, то, что он изготовлен из воздуха, является большим преимуществом. Есть много возможностей для металла, но литий, алюминий, цинк, натрий остаются предшественниками. В большинстве экспериментальных работ в качестве катода используется кислород для предотвращения реакции металла с CO 2 в воздухе, поскольку захват достаточного количества кислорода в окружающем воздухе является серьезной проблемой.Кроме того, большинство прототипов металл-воздух или металл-кислород имеют проблемы с циклируемостью и сроком службы.

Батареи часто недооценивают, когда они работают, как задумано, но подвергают резкой критике, когда они не оправдывают ожиданий. Вышеупомянутые технологии ни в коем случае не являются исчерпывающим списком сделанных разработок. Электромобили, несомненно, станут более обычным явлением по мере совершенствования аккумуляторов. Достижения в области аккумуляторных батарей могут не только преобразовать транспортную отрасль, но также могут существенно повлиять на мировые энергетические рынки.Сочетание батарей с возобновляемыми источниками энергии резко снизит потребность в нефти, газе и угле, тем самым изменив основу многих экономических и политических норм, которые мы в настоящее время принимаем как должное. Разумеется, нам не нужно ждать, пока будет разработана «идеальная батарея», чтобы заметить ощутимые улучшения в производительности. Несмотря на текущие недостатки аккумуляторов, потенциальное глобальное влияние, которое могут оказать даже относительно умеренные улучшения, поразительно.

Элси Бьярнасон внесла свой вклад в это сообщение в блоге.

Батареи будущего — Любопытный

Батареи

существуют уже сотни лет, и они будут с нами еще какое-то время. Многочисленные и разнообразные применения аккумуляторов привели к многочисленным изменениям электрохимической ячейки на протяжении многих лет — для электродов использовались разные металлы и другие материалы, для электролитов использовались разные вещества, и были разные способы собрать все это вместе.Но что нас ждет в будущем?

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах. Для дальнейшего чтения посмотрите, как работает батарея, типы батарей и литий-ионные батареи.

Новый химический состав аккумуляторов

Вариации на тему: новые литий-ионные технологии

Кремниевый анод
Кремний

(Si) обеспечивает значительное увеличение способности аккумулировать энергию при использовании в качестве анодного материала.По сравнению с традиционным графитовым электродом кремний дает теоретическое десятикратное увеличение емкости. Однако, хотя его решетчатая структура может включать ионы лития, необходимые для работы литий-ионной батареи, включение ионов лития вызывает значительное увеличение объема — более чем на 300 процентов. Когда батарея разряжается и ионы лития высвобождаются из кремниевого анода, кремний сжимается. Со временем в результате этого повторяющегося расширения и сжатия кремниевый анод разрушается и растрескивается, и срок службы батареи очень короткий.

Решение этой основной проблемы обещает создать батарею со значительно лучшей плотностью энергии, чем стандартная литий-ионная батарея с графитовым анодом. Один из исследуемых вариантов — покрытие кремния графеном (листы углерода толщиной в один атом), поскольку графеновые листы могут «скользить» друг относительно друга и компенсировать расширение и сжатие кремния. Это почти вдвое увеличивает удельную энергию батареи.

Шарики из аморфного кремния, которые используются для исследования изменений, которые претерпевает кремний при использовании в качестве анода в литий-ионной батарее.Источник изображения: Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория / Flickr.
Графеновый анод

Графен также может заменить графит в качестве анода литий-ионной батареи. Графен состоит из атомов углерода, соединенных вместе, чтобы образовать лист толщиной в один атом. Хотя графит по существу состоит из нескольких листов графена, уложенных друг на друга, преимущества возможности укладывать отдельные листы графена позволяют упростить и повысить эффективность вставка ионов лития.

Попытка быстро ввести ионы лития в графит, что необходимо для приложений с высокой мощностью или быстрой зарядкой, также приводит к разрушению анода.Листы графена могут использоваться для приложений с высокой мощностью, поскольку ионам лития не нужно туннелировать через кристалл графита, чтобы добраться до мест их вставки, поскольку эти места уже открыты для электролита, содержащего литий-ионный ион. Этот новый материал используется многими учеными по всему миру, пытающимися превратить его в новый материал электрода батареи.

Графен состоит из отдельных листов атомов углерода, связанных вместе в сотовую структуру. Источник изображения: UCL Mathematical and Physical Sciences / Flickr.
Литий-воздушный

Что, если бы батарея могла вытягивать энергию из воздуха? Литий-воздушная батарея сделает это, используя кислород из окружающей атмосферы в качестве материала катода. Это, очевидно, сделало бы аккумулятор чрезвычайно легким, что дало бы ему плотность энергии в 10 раз лучше, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов — плотность энергии, которая могла бы конкурировать с бензином.

Однако химия лития и воздуха создает несколько проблем. Во-первых, в своей чистой металлической форме литий чрезвычайно реакционноспособен, и трудно сохранить стабильный анод, сделанный из лития.Поиск материалов электролита, которые могут поддерживать стабильность анода, а также предотвращать его реакцию с кислородом воздуха, является сложной задачей.

Существует множество исследований электролитов, направленных на решение этой проблемы, в том числе с использованием полимеров, ионных жидкостей и смесей растворителей с высокой концентрацией солей. Предотвратить реакцию с воздухом можно также путем покрытия электрода твердым электролитом, таким как стекло или керамика. Другая проблема заключается в том, что восстановление кислорода приводит к образованию пероксида лития (Li 2 O 2 ).Затем это может покрыть поверхность электродов и подавить реакцию, посредством которой высвобождаются ионы и электроны лития, что снижает мощность батареи. Поскольку элемент подвергается воздействию воздуха, из которого он отбирает кислород для катодной реакции, он также подвергается воздействию водяного пара и углекислого газа, которые могут повлиять на химический состав элемента, приводя к образованию других непроводящих и неактивных материалов, таких как как Li 2 CO 3 .

В недавних разработках исследователи из Кембриджского университета использовали высокопористый графен в качестве катода и добавили йодид лития (LiI) и воду (H 2 O) в смесь электролитов.Это предотвратило образование пероксида лития, вместо этого взяв немного водорода из воды, чтобы получить гидроксид лития (LiOH). Йодид действует как «посредник», облегчающий эту реакцию. Кристаллы гидроксида лития хорошо вписываются в поры графенового катода, но они не покрывают всю его поверхность, оставляя углерод, необходимый для запуска реакции генерации электричества в батарее, открытым и доступным для продолжения реакции.

Когда аккумулятор перезаряжается, йодид снова вступает в действие.Он окисляется до трииодид-иона (I 3-). Трииодид реагирует с кристаллами гидроксида лития, образуя ионы лития (Li + ), кислород (O 2 ) и воду (H 2 O). Это полностью удаляет кристаллы гидроксида лития с катода, оставляя его доступным для реакции восстановления кислорода, которая происходит во время разряда батареи. Между тем ионы лития проходят через электролит и повторно осаждаются на аноде в виде металлического лития, готовые снова отдать свои электроны при разрядке аккумулятора.- + \ text {2H} _2 \ text {O} + \ text {O} _2 \ uparrow $$

(стрелка вверх указывает, что кислород выделяется в виде газа)

Литий-воздушная технология еще далека от практического внедрения. По оценкам, для реализации этого проекта потребуется около 10–20 лет. Описанные выше разработки работают в системе, использующей чистый кислород, поэтому исследователям также необходимо найти способ справиться с другими веществами, содержащимися в воздухе. Такие газы, как диоксид углерода и азот в воздухе, реагируют с металлическим литием в аноде с образованием карбонатов лития и нитратов лития, которые покрывают поверхность электрода и препятствуют его эффективной работе.

Ученый Цзе Сяо работает над разработкой литий-ионных и литий-воздушных батарей. Источник изображения: Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория / Flickr.

Литий-сера — еще один многообещающий химический состав батарей будущего. Подробнее об этом читайте в нашей теме Nova о типах аккумуляторов.

Алюминий-воздух

Поскольку алюминий является очень распространенным элементом земной коры, батарея из алюминиевого анода и кислородного катода обещает быть очень дешевой. Он также будет легким, с высокой плотностью энергии.Алюминиево-воздушная батарея потенциально могла бы обеспечить питание электромобиля в восемь раз больше, чем стандартная литий-ионная батарея на одном заряде.

Проблема в том, что химический состав этого элемента батареи приводит к коррозии алюминиевого анода. Взаимодействуя с электролитом, алюминиевый анод подвергается необратимой реакции с образованием гидратированного оксида алюминия (Al (OH) 3 ). Это означает, что аккумулятор не подлежит перезарядке, поэтому либо аноды, либо полностью отработанные батареи необходимо будет заменять через регулярные промежутки времени.-

долл. США

Вся реакция

$$ \ text {4Al} + \ text {3O} _2 + \ text {6H} _2 \ text {O} \ to \ text {4Al (OH)} _ 3 $$

Химический состав алюминиево-воздушной батареи потенциально может быть улучшен за счет разработки более пористых трехмерных структур алюминиевого анода, которые увеличили бы площадь поверхности алюминия, которая может вступать в реакцию. Другой возможностью является разработка алюминиевых сплавов, в которые добавление совсем небольших количеств других элементов поможет предотвратить образование гидроксида алюминия, который разъедает анод.

Из-за трудностей с перезарядкой алюминиево-воздушных батарей маловероятно, что они станут реальной коммерческой перспективой в ближайшем будущем, однако текущие исследования могут все же привести нас к этому в долгосрочной перспективе. Однако несколько групп по всему миру ищут альтернативы, такие как воздушно-магниевые и воздушно-цинковые батареи. Однако в настоящее время воздушно-цинковые батареи используются в наших слуховых аппаратах и ​​кохлеарных ушных имплантатах. обратимость это проблема.

Натрий-ион

Натрий-ионные батареи работают аналогично литий-ионным батареям, но с ионами натрия вместо лития.Преимущества натрия в том, что его легко получить (подумайте только о морской воде) и дешево.

Хотя ионы натрия вряд ли в ближайшее время будут конкурировать с литий-ионными батареями для питания портативных устройств или автомобилей, некоторые компании — Aquion Energy, Faradion и Sharp Laboratories — уже производят их для использования в качестве накопителей энергии на ветряных и солнечных фермах. Модули меньшего размера теперь также производятся для хранения энергии в жилых помещениях.

Натрий дешев и его легко найти. Здесь изображены кристаллы поваренной соли, которая состоит из хлорида натрия.Источник изображения: Центр космических полетов им. Маршалла НАСА / Flickr.

Для изготовления электродов в натриево-ионных батареях используется несколько различных материалов. Углерод обычно используется для анода, но не в виде аккуратного графита, как в литий-ионной батарее. Будучи объединенными в единую структуру, большие ионы натрия застревают и не могут выйти снова, что делает реакцию клетки необратимой (а батарею нельзя перезаряжать). Что необходимо для предотвращения этого, так это правильный размер и распределение пор, а также большая площадь поверхности, поэтому в качестве анода используется «твердый углерод», обычно получаемый путем сжигания сахаров при высокой температуре.Температура имеет решающее значение для получения нужных свойств.

Возможный вариант — анод из слоев графена с вкраплениями слоев фосфора. Графен обеспечивает эластичность и электрическую проводимость электрода, а фосфорен изменяет структуру электрода, так что натрий может легко входить и выходить во время перезарядки и разряда.

Ряд различных материалов был опробован в качестве катодов для натриево-ионных батарей, но исследования по поиску лучшего кандидата продолжаются.Недавно исследователи обнаружили, что соединение натрия, железа и сульфата является отличным хозяином для ионов натрия. Материал состоит из слоев натрия и железа с вкраплениями сульфатных структур, что обеспечивает хорошие пространства для размещения ионов натрия. Берлинская лазурь еще одно соединение, предпочтительное для катодов.

Попадаете в сферу научной фантастики?

Пьезоэлектрический

Пьезоэлектрические материалы могут генерировать электрический заряд при механическом воздействии.В основном, если вы сжимаете, сдавливаете или надавливаете на него, эта механическая энергия преобразуется в электрическую.

Шаговый

Исследователи разработали небольшое устройство, сделанное из литий-ионной батареи размером с монету, у которой вынутый сепаратор заменен на пьезоэлектрическую пленку. Его можно встроить в подошву обуви, например, в кроссовки. Во время бега каждый раз, когда ваша ступня ударяется о землю, небольшое усилие давит на устройство, сжимая пьезоэлектрическую пленку в середине.Он генерирует заряд, который заставляет ионы лития перемещаться от катода к аноду — точно так же, как процесс перезарядки, который происходит, когда обычная литий-ионная батарея подключается к внешнему источнику электричества для подзарядки. Ионы лития, которые выталкиваются на анод, вступают в реакцию с материалом анода из оксида титана с образованием оксида лития-титана (LiTiO 2 ) и высвобождаются снова только тогда, когда для питания устройства требуется электричество. На данном этапе его мощности недостаточно для работы вашего телефона, но, возможно, достаточно для таких вещей, как устройства слежения GPS.Ключом к этой технологии является создание пьезоэлектрического заряда, чтобы его можно было подключать и к другим типам аккумуляторов.

По сути, этот процесс включает преобразование механической энергии в химическую энергию для зарядки батареи, а затем обычное химическое преобразование в электрическую энергию, когда батарея подключена к внешней цепи.

Аккумуляторы с шаговым питанием можно поместить внутрь вашей обуви или сделать частью тротуара, по которому мы ходим. Источник изображения: redonion_TEDx / Flickr.
Звуковой привод

Оксид цинка — пьезоэлектрический материал. Когда его крошечные наностержни подвергаются воздействию звуковых волн, они изгибаются, создавая физическое напряжение, которое вызывает электрический ток. Наностержни помещаются между металлическими листами, которые действуют как электрические контакты, отбирая ток, создаваемый изгибающимися наностержнями. Эти электрические контакты могут быть сделаны из обычной старой алюминиевой фольги.

Первая попытка создания аккумуляторной батареи со звуковым питанием привела к созданию устройства, которое может генерировать 5 вольт — просто подавляя повседневный шум, такой как движение транспорта, разговоры или музыка.

Эти пластины из оксида цинка выращены, чтобы помочь исследователям понять свойства оксида цинка и то, как он может помочь в разработке новых типов батарей. Источник изображения: Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория / Flickr.
ерзание / с приводом от трения

Другой вариант в будущем может заключаться в использовании энергии, производимой людьми, когда они занимаются своими повседневными делами. Исследователи работают над наногенераторами — устройствами, которые могут использовать статическое электричество, генерируемое трением, возникающим при трении двух веществ друг о друга.

Устройство будет содержать лист металла, расположенный рядом с листом терефталатного пластика, и оба имеют наноразмерные структуры на поверхности. Когда они соприкасаются, генерируется электрический заряд, а затем течет ток, когда листы изгибаются или изгибаются. Наноструктуры на поверхности листов увеличивают площадь контакта.

Из него будет небольшая нашивка, которую можно носить как нарукавную повязку. Он будет поглощать энергию, производимую, когда мы ходим по дому, берем книгу или набираем электронное письмо.

На основе мочи

Батарея с питанием от мочи звучит нелепо! Очевидно нет.

Эта технология основана на микробных топливных элементах, которые используют химию процесса клеточного дыхания для производства электричества. В конце концов, химия, лежащая в основе клеточного дыхания, — это еще один набор окислительно-восстановительных реакций, подобных тем, которые необходимы для работы электрохимической ячейки.

Эти микробные топливные элементы содержат живые микробы, которые поедают мочу и расщепляют ее.Часть этого процесса включает в себя производство электронов, которые, конечно же, необходимы для генерации электрического тока. Идея состоит в том, чтобы взять мочу и скармливать ее питающим мочу, содержащим микробы клеткам, а также использовать производимые электроны для питания электронных устройств.

Объединив несколько микробных топливных элементов в серию, исследователи из Bristol Robotics Lab создали устройство, способное питать мобильный телефон, и надеются увеличить его до размера, способного обеспечить около 12 киловатт-часов. мощность в день.

Микробные топливные элементы обрабатывают сточные воды и вырабатывают электрический ток. Источник изображения: Penn State / Flickr.

Что эти батареи сделают для нас?

Развитие технологий, особенно электроники, изменило наш образ жизни. Какие изменения ждут наших детей и будущие поколения?

Возобновляемая энергия

Адекватное хранение энергии, производимой из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, рассматривается как «недостающее звено», необходимое для обеспечения энергии в будущем без зависимости от ископаемого топлива.

И мы приближаемся. Проточные окислительно-восстановительные батареи уже используются на рудниках, а также в отдаленных и сельских районах для хранения электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Их громоздкость компенсируется тем, что они дешевы и надежны. Испытания в Австралии показали, что эти батареи могут использоваться в жилых помещениях, например, в схеме сетей умного города, где 30 000 домов были подключены к возобновляемым источникам энергии вместе с проточными батареями.

По мере того, как большие литий-ионные батареи становятся более доступными, предсказывается, что все больше и больше домашних хозяйств будут оснащены бытовыми батареями, что-то в масштабе примерно 6–10 кВтч.Эти батареи могут потреблять электроэнергию из сети в непиковые периоды, когда стоимость ниже, и хранить ее для использования в часы пик, тем самым снижая счета за электроэнергию домовладельцев.

Другой вариант заключается в том, что в домах с установленными солнечными батареями батареи будут накапливать всю электроэнергию, которая была произведена в течение дня, но не использовалась немедленно, для использования в ночное время. В сочетании с программным обеспечением для интеллектуального управления домашнее хозяйство, использующее аккумулятор, может также подавать накопленную электроэнергию в сеть в часы пиковой нагрузки — и получать за это деньги.

Бытовые аккумуляторы обещают изменить правила игры не только в том, как домашние хозяйства используют и производят электроэнергию, но и в том, как национальная электросеть будет функционировать в будущем. Однако мы еще не совсем там. Несмотря на то, что аккумулятор Tesla Powerwall появился на сцене с огромной шумихой и фанфарами, это определенно не первая изобретенная батарея для бытовых нужд — различные типы существуют уже много лет. Проблема в том, что они были слишком дорогими для широкого распространения.

Обещание Tesla Powerwall и связанной с ним Tesla Gigafactory заключается в том, что он снизит затраты, что, безусловно, повысит ставки. В сочетании с прогнозируемым ростом цен на электроэнергию, мы почти наверняка увидим более широкое распространение аккумуляторных технологий в наших домах.

Еще одним претендентом может стать Oxis Energy из Великобритании. В настоящее время они тестируют литий-серные батареи, которые накапливают энергию от бытовой солнечной системы, и надеются, что скоро они появятся в продаже.Литий-серные батареи дешевле, чем литий-ионные, потому что сера дешевая и ее много. И здесь, в Австралии, Redflow намеревается вскоре предложить свои проточные окислительно-восстановительные батареи на основе бромида цинка в качестве вариантов для домашнего хранения.

Носимые батареи

Маленький, легкий и гибкий, способный извлекать энергию из механической энергии людей, которые его носят? Таковы обещания носимых аккумуляторных устройств.

Один, созданный CSIRO, использует ходьбу для выработки электроэнергии.Генератор, помещенный в рюкзак или одежду, преобразует механическую энергию, которую он испытывает во время ходьбы или бега, в электричество. Это электричество затем используется для зарядки гибкой батареи на тканевой основе. Использование проводящих тканей для соединения между всеми различными компонентами позволяет разрабатывать «гибкие» новые носимые технологии.

Хотя технология CSIRO была продемонстрирована в конфигурации рюкзака, используемую ткань можно разрезать и придать ей любую форму, просто разрезав ее ножницами, поэтому разнообразие возможных предметов одежды или аксессуаров велико.

Вывод

Кто бы мог подумать, что подергивание лягушачьих лапок, наблюдаемое более 200 лет назад, в конечном итоге приведет к появлению устройств, которые могут питать наши компьютеры, смартфоны, автомобили и, надеюсь, скоро, наши дома? Аккумуляторы прошли долгий путь за последние несколько сотен лет, и с учетом того, что так много ученых по всему миру исследуют новые технологии, вполне вероятно, что они уведут нас далеко-далеко в будущее.

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах. Для дальнейшего чтения посмотрите, как работает батарея, типы батарей и литий-ионные батареи.

Аккумуляторные материалы | Гелест, Инк.

Хранение энергии играет важную роль в нашей повседневной жизни.

Наши мобильные телефоны и портативные компьютеры зависят от аккумуляторов с длительным сроком службы, которые позволяют нам эффективно работать и жить. Автомобили все чаще полагаются на улучшенные батареи в качестве вторичного источника энергии по сравнению с бензином, а также в качестве единственного источника энергии в полностью электрических транспортных средствах.Солнечная энергия становится более экономичной за счет хранения энергии в батареях.

Литий-ионные батареи

стали предпочтительным типом батарей в большинстве приложений из-за высокой плотности энергии этой технологии по сравнению с другими технологиями батарей, такими как никелевые батареи и свинцово-кислотные батареи. Литий-металлические батареи потенциально могут быть даже лучше, чем литий-ионные батареи, как показано на Рисунке 1.

Ожидается, что рынок литий-ионных аккумуляторов значительно вырастет как в потребительской электронике, так и в автомобилестроении.Ключевые драйверы роста литий-ионных аккумуляторов включают рост числа гибридных электрических и полностью электрических транспортных средств, а также общий рост портативных электронных устройств. Общая конструкция литий-ионной аккумуляторной батареи, используемой в электромобилях, показана на рисунке 2.

Литий-ионные батареи

состоят из катода, анода, электролита и сепаратора. Катодные материалы включают фосфат лития-железа (LiFePO4), оксид лития-марганца (LiMn2O4), оксид лития-кобальта (LiCoO2), литий-никель-кобальт-марганцевый оксид (также известный как «NMC») (LiNiMnCoO2), литий-никель-кобальт-оксид алюминия (LiMnO2Ni). и титанат лития.Анодные материалы обычно представляют собой графит. Сепараторы обычно представляют собой микропористую полипропиленовую или полиэтиленовую пленку. А электролиты обычно представляют собой гексафторфосфат лития (LiPF6) в этиленкарбонате (EC).

Разработка материалов для литий-ионных аккумуляторов обусловлена ​​потребностью в улучшенной емкости аккумуляторов, более низкой стоимости (для автомобильных приложений), повышении безопасности и улучшенном сохранении емкости после циклирования аккумулятора. Повышение емкости и стоимости аккумуляторов решается за счет модификации электродных материалов и толщины электродов, в то время как улучшения безопасности и сохранения емкости решаются путем модификации электролитов с помощью добавок и совершенно новых материалов электролита.

Силаны начинают играть ключевую роль в улучшении стабильности электролита. Силилфосфаты, такие как трис (триметилсилил) фосфат (SIT8723.0), использовались в качестве добавок к этиленкарбонатному электролиту для улучшения стабильности и сохранения емкости (US 8 308 971). Силаны, функционализированные полиэфиром, также были разработаны как улучшенные электролиты (см .: Chen, X., et al, Journal of Power Sources 241 (2013) 311-319). В последнее время диметиламиноэтоксиалкилсиланы также были разработаны в качестве добавок к электролитам для улучшения стабильности и сохранения емкости (см .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *