Аккумуляторы, которых нет: новейшие разработки. Стоит ли ждать новых прорывов в разработке аккумуляторов Новый вид акб

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

Литий-ионный аккумулятор фотоаппарата

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.

Многие считают, что будущее автомобилестроения именно за электрокарами. За границей существуют законопроекты, по которым часть ежегодно продаваемых автомобилей должны либо быть гибридами, либо работать на электричестве, поэтому деньги вкладываются не только в рекламу таких авто, но и в постройку заправок.

Однако многие люди все-таки ждут, когда электрокары станут настоящими соперниками традиционным автомобилям. А может, это будет, когда время зарядки уменьшится, а время автономной работы увеличится? Возможно, в этом человечеству помогут графеновые аккумуляторы.

Что такое графен?

Революционный материал нового поколения, самый легкий и прочный, самый электропроводящий - все это о графене, который является не чем иным, как двумерной углеродной решеткой толщиной в один атом. Создатели графена, Константин Новоселов и получили Нобелевскую премию. Обычно между открытием и началом практического использования этого открытия на практике проходит продолжительное время, иногда даже десятки лет, однако графен такая участь не постигла. Возможно, это связано с тем, что Новоселов и Гейм не утаили технологию его производства.

Они не только рассказали о ней всему миру, но и показали: есть видео на YouTube, где Константин Новоселов подробно рассказывает об этой технологии. Поэтому, возможно, скоро мы сможем даже делать графеновые аккумуляторы своими руками.

Разработки

Попытки применения графена были практически во всех областях науки. Его пробовали в солнечных батареях, наушниках, корпусах и даже пытались лечить рак. Однако на данный момент одна из самых перспективных и нужных человечеству вещей - это графеновый аккумулятор. Напомним, что при таком неоспоримом преимуществе, как дешевое и экологичное топливо, электромобили имеют серьезный недостаток - относительно небольшую максимальную скорость и запас хода не более трехсот километров.

Решение проблемы века

Графеновый аккумулятор работает по тому же принципу, что и свинцовые с щелочным или кислотным электролитом. Этим принципом является электрохимическая реакция. По устройству графеновый аккумулятор схож с литиево-ионным с твердым электролитом, в котором катодом является угольный кокс, близкий по составу к чистому углероду.

Однако уже сейчас среди инженеров, разрабатывающих графеновые аккумуляторы, есть два принципиально разных направления. В США ученые предложили делать катод из пластин графена и кремния, перемежающихся между собой, а анод - из классического кобальта лития. Российские инженеры нашли другое решение. Токсичная и дорогая литиевая соль может быть заменена более экологичным и дешевым оксидом магния. Емкость аккумулятора увеличивается в любом случае за счет повышения скорости прохождения ионов от одного электрода к другому. Это достигается вследствие того, что графен обладает высоким показателем электрической проницаемости и способностью к накоплению электрического заряда.

Мнения ученых относительно инноваций разделяются: российские инженеры утверждают, что графеновые аккумуляторы имеют емкость в два раза больше, чем литий-ионные, а вот их зарубежные коллеги утверждают, что в десять.

Графеновые аккумуляторы запущены в массовое производство в 2015 году. К примеру, этим занимается испанская компания Graphenano. По словам производителя, использование этих аккумуляторов в электрокарах на логистических площадках показывает реальные практические возможности батареи с графеновым катодом. Для полной зарядки ему требуется всего восемь минут. Максимальную длину пробега также способны увеличить графеновые аккумуляторы. Зарядка на 1000 км вместо трехсот - вот что хочет предложить потребителю корпорация Graphenano.

Испания и Китай

С Graphenano сотрудничает китайская компания Chint, которая купила 10 % акций испанской корпорации за 18 миллионов евро. На совместные средства будет осуществляться постройка завода с двадцатью производственными линиями. Проект уже получил около 30 миллионов инвестиций, которые будут вложены в установку оборудования и наем сотрудников. По первоначальному плану завод должен был начать выпускать около 80 миллионов батарей. На начальном этапе основным рынком должен стать Китай, а затем планировалось начало поставок в другие страны.

На втором этапе компания Chint готова инвестировать 350 миллионов евро для постройки еще одного завода, на котором будет около пяти тысяч сотрудников. Такие цифры неудивительны, если учесть, что суммарный доход будет составлять около трех миллиардов евро. К тому же Китай, известный своими проблемами с экологией, будет обеспечен экологичным и дешевым "топливом". Однако, как мы можем наблюдать, кроме громких заявлений, свет не увидел ничего, только тестовые модели. Хотя корпорация Volkswagen тоже объявила о своем намерении сотрудничать с Graphenano.

Ожидания и реальность

На дворе 2017 год, а это значит, что Graphenano занимаются "массовым" производством аккумуляторов уже два года, однако встретить электромобиль на дороге - большая редкость не только для России. Все характеристики и данные, обнародованные корпорацией, довольно неопределенны. В целом они никак не выходят за рамки общепринятых теоретических представлений о том, какими параметрами должен обладать графеновый аккумулятор для электромобиля.

К тому же до сих пор все, что было представлено как потребителям, так и инвесторам, - это только компьютерные модели, никаких настоящих прототипов. Добавляет проблем и то, что графен - материал, который очень дорог в производстве. Несмотря на громкие заявления ученых о том, как его можно будет "печатать на коленке", на данном этапе снизить удается только стоимость некоторых компонентов.

Графен и мировой рынок

Сторонники всяческих теорий заговоров скажут, что никому не выгодно появление такого автомобиля, потому что тогда нефть уйдет на задний план, а значит, сократятся и доходы от ее добычи. Однако, скорее всего, инженеры столкнулись с какими-то проблемами, но не хотят это афишировать. Слово "графен" сейчас на слуху, многие считают его поэтому, возможно, ученым не хочется портить его славу.

Проблемы в разработках

Однако дело может быть и в том, что материал действительно инновационный, поэтому подхода требует соответствующего. Возможно, аккумуляторы с использованием графена должны быть принципиально отличными от традиционных литий-ионных или литий-полимерных.

Существует и еще одна теория. Корпорация Graphenano заявила, что новые аккумуляторы заряжаются всего за восемь минут. Специалисты подтверждают, что это действительно возможно, только мощность источника питания должна быть не менее одного мегаватта, что возможно в тестовых условиях на заводе, но никак не в домашних. Постройка достаточного количества заправок с такой мощностью будет стоить огромных денег, цена одной подзарядки будет довольно высока, поэтому графеновый аккумулятор для авто не принесет никакой выгоды.

Практика показывает, что революционные технологии достаточно долго встраиваются в мировой рынок. Необходимо провести множество тестов, чтобы убедиться в безопасности продукта, поэтому выход новых технологических устройств порой затягивается на долгие годы.

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…

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.

Удельная энергоемкость современных литий-ионных батарей достигает 200 Вт*ч/кг. В среднем этого хватает лишь на 150 километров пробега без подзарядки, что не идет ни в какое сравнение с пробегом на одной заправке автомобилей с обычным ДВС. Чтобы электромобили стали массовыми, они должны иметь сопоставимый пробег. Для этого нужно довести удельную энергоемкость батарей хотя бы до 350-400 Вт*ч/кг. Описанные ниже перспективные типы батарей смогут ее обеспечить, хотя в каждом случае есть свои “но”.

Литий-серные батареи отличает большая удельная емкость, которая является следствием того, что в процессе химической реакции каждая молекула отдает не один, а два свободных электрона. Их теоретическая удельная энергия составляет 2600 Вт*ч/кг. Кроме того, такие батареи существенно дешевле и безопаснее литий-ионных.

Базовая Li-S батарея состоит из литиевого анода, серно-углеродного катода и электролита, через который проходят ионы лития. При разряде происходит химическая реакция, в ходе которой литий анода превращается в сульфид лития, осаждающийся на катоде. Напряжение батареи составляет от 1,7 до 2,5 В, в зависимости от степени разряда батареи. Полисульфиды лития, образующиеся в ходе реакции, оказывают влияние на вольтаж батареи.

Химическая реакция в батарее сопровождается рядом негативных побочных явлений. Когда сера катода поглощает ионы лития из электролита, образуется сульфид лития Li 2 S, который осаждается на катоде. При этом его объем увеличивается на 76%. При заряде происходит обратная реакция, приводящая к уменьшению размеров катода. Вследствие этого катод испытывает значительные механические перегрузки, приводящие к его повреждению и потере контакта с токоприемником. Кроме того, Li 2 S ухудшает электрический контакт в катоде между серой и углеродом (путь, по которому движутся электроны) и препятствует протеканию ионов лития к поверхности серы.

Другая проблема связана с тем, что в процессе реакции между серой и литием Li 2 S образуется не сразу, а через серию превращений, в ходе которых образуются полисульфиды (Li 2 S 8 , Li 2 S 6 и др.). Но если сера и Li 2 S нерастворимы в электролите, то полисульфиды – наоборот, растворяются. Это приводит к постепенному уменьшению количества серы на катоде. Еще одна неприятность – появление шероховатостей на поверхности литиевого анода при прохождении больших разрядных и зарядных токов. Все это, вместе взятое, приводило к тому, что такая батарея выдерживала не более 50-60 циклов разряда-заряда и делало ее непригодной для практического использования.

Однако последние разработки американцев из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволили преодолеть эти недостатки. Ими создан уникальный катод из нанокомпозитного материала (оксида графена и серы), целостность которого поддерживается с помощью эластичного полимерного покрытия. Поэтому изменение размеров катода в ходе разряда-заряда не приводит к его разрушению. Для защиты серы от растворения применяется ПАВ (поверхностно активное вещество). Так как ПАВ является катионным (т.е. притягивается к поверхности слоя серы), оно не препятствует литиевым анионам реагировать с серой, но не позволяет образовавшимся при этом полисульфидам растворяться в электролите, удерживая их под своим слоем. Также разработан новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды. Ионная жидкость и намного безопаснее – она не горит и почти не испаряется.

В результате всех описанных нововведений значительно повышается производительность батареи. Ее начальная удельная энергия составляет 500 Вт*ч/кг, что более чем в два раза превышает показатель Li-ion батарей. После 1500 20-часовых циклов разряда-заряда (С=0,05) ее удельная энергия снизилась до уровня свежей Li-ion батареи. После 1500 1-часовых циклов (С=1) снижение составило 40-50%, но батарея по-прежнему сохранила работоспособность. Когда же батарею испытывали при большой мощности, подвергая 10-минутному циклу разряда-заряда (С=6), то даже после 150 таких циклов ее удельная энергия превышала удельную энергию свежей Li-ion батареи.

Предполагаемая цена такой Li-S батареи не превысит 100$ за каждый кВт*ч емкости. Многие инновации, предложенные командой исследователей из Беркли, могут быть использованы и для улучшения существующих Li-ion батарей. Для создания практической конструкции LiS батареи разработчики ищут партнёров, которые профинансируют окончательную ее доводку.

Литий-титанатовые батареи

Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие. Новая технология предполагает значительное сокращение “бесполезных” материалов в конструкции аккумулятора.

Новейшие литий-титанатовые батареи помогли преодолеть еще один недостаток Li-ion аккумуляторов – их недолговечность и длительность подзарядки. В ходе исследований было обнаружено, что при зарядке большими токами ионы лития вынуждены «продираться» между микропластинками графита, тем самым постепенно разрушая электроды. Поэтому графит в электродах заменили структурами из наночастиц титаната лития. Они не мешают движению ионов, что в итоге привело к фантастическому увеличению срока службы – более 15000 циклов в течение 12 лет! Время зарядки с 6-8 часов сокращается до 10-15 минут. Дополнительные преимущества – термостабильность и меньшая токсичность.

По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке. При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних – всего 250 долл. за кВт/ч.

Литий-воздушные батареи

Технологии не стоят на месте, и ученые уже работают над созданием практической конструкции литий-воздушного (LiO 2) аккумулятора. Его теоретическая энергетическая емкость выше в 8-10 раз, чем у литиево-ионного. Для того чтобы уменьшить вес батареи, сохранив при этом, или даже увеличив ее емкость, ученые предложили радикальное решение – отказ от традиционного катода: литий будет взаимодействовать непосредственно с кислородом из воздуха. Благодаря каталитическому воздушному катоду предполагается не просто увеличить энергоемкость аккумулятора, но и уменьшить почти во столько же раз его объем и вес.

Для массового производства литий-воздушная технология требует решения множества технических и научных задач, среди которых создание эффективного катализатора, литиевого анода и стабильного твердого электролита, способного работать при низких температурах (до -50C). Кроме того, нужно разработать технику нанесения катализатора на поверхность катода, создать мембрану, которая бы предотвращала проникновение кислорода на литиевый анод, а также разработать методы изготовления специальных пористых электродов.