Когда появятся новые аккумуляторы для смартфонов и планшетов
Обновлено: 05.07.2024
Аккумуляторы занимают очень важную часть в современном мире, и без них невозможно представить будущее человечества. Именно поэтому ученые по всему миру постоянно находятся в поиске способов улучшить существующие или же создать абсолютно новые типы аккумуляторных батарей.
В этом материале я расскажу о самых значимых разработках ученых в этой области. Итак, начнем.
Аккумуляторы с металлическим литием
Когда речь идет о варианте усиления уже существующих батарей, наиболее перспективным считается использование металлического лития в качестве анода вместо графита и меди. Но существовало довольно существенное препятствие – повышенная скорость формирования так называемых дендритов.
Ученым из Вашингтонского государственного университета удалось найти подход, который существенно снизил скорость образования дендритов за счет включения некоторых ключевых химикатов в раствор катода и электролита.
Такая модернизация позволила сформировать защитный слой вокруг анода из металлического лития. Таким образом в ходе испытаний батарея оставалась стабильной на протяжении 500 циклов заряд/разряд.
Твердотельные аккумуляторные батареи
В декабре калифорнийская компания QuantumScape представила широкой общественности свою твердотельную литий-металлическую батарею, которую специально разработали для применения в электроавтомобилях.
По заявлениям представителей компании, им удалось решить проблему образования дендритов за счет применения керамического электролита. Кроме этого новая батарея обладает плотностью энергии в четыре раза большей, чем в батареях, используемых в Tesla Model3.
Кроме этого новый аккумулятор обеспечивает от 380 до 500 Вт*ч на один кг, что опять же выше показателей батарей Tesla (260 Вт*ч на кг). Также батарея сохраняла до 80% своей первоначальной емкости после 800 циклов заряд/разряд, и скорость заряда до тех же 80% составила 15 минут.
Аккумуляторы с ультразвуковым устройством
В феврале этого года научная группа из Калифорнийского университета в Сан-Диего представила довольно оригинальную разработку.
Инженеры разработали литий металлическую батарею, в которую дополнительно встроили микроскопическое ультразвуковое устройство.
Как оказалось, высокочастотные звуковые волны, которые пропускались через электролит, заставили перемещаться электролит плавно, а не застаиваться.
Это привело к тому, что в аноде литий был распределен максимально равномерно, и во время тестов такой аккумулятор с ультразвуковой начинкой оказался способен заряжаться с нуля до 100 % всего за 10 минут и показал высокую стабильность в течение 250 циклов заряд/разряд.
Аккумулятор с высокоскоростной зарядкой
Очередные эксперименты научной группы из Техасского университета позволили создать литий-металлическую батарею, в которой в качестве анода были применены углеродные нанотрубки. Такой подход также позволил существенно снизить образование дендритов на поверхности.
Еще такие батареи оказались способны выдерживать токи в пять раз превышающие предельные токи обычных литий-ионных батарей.
Натрий-ионные батареи - микроволны и соль
Все предыдущие рассмотренные версии так или иначе были связаны с дорогим и довольно редким литием. Поэтому ученые изучают и другие варианты химических сочетаний. И одним из наиболее перспективных является натрий-ионные.
Ученые из университета Пердью в апреле этого года смогли выполнить уникальный эксперимент. Им удалось превратить соль в хлопья, которые затем были обработаны сверхбыстрым микроволновым излучением и получить таким образом терефталат натрия.
Это самая большая органическая молекула считается отличным материалом для производства анода, из-за своих великолепных электрохимических характеристик.
И самое главное инженерам удалось продемонстрировать процесс создания этой молекулы как часть полноценно функционирующего натрий-ионного элемента.
Гравитационные батареи
Одним из самых многообещающих способов крупномасштабного хранения возобновляемой энергии может заключаться в гравитационной энергии.
Компания Gravitricity продемонстрировала концепт совершенно нового типа хранения энергии, которая состоит из массивных весов, мощных лебедок и кабелей, которые удерживают грузы в воздухе.
Когда нужно получить электричество, то грузы пускают на вал, который вращает лебедку, и таким образом вырабатывается электроэнергия.
При этом такая батарея способна отдать всю накопленную мощность или за 15 минут, или растянуть это время до 8 часов при пиковой мощности от 1 до 20 МВт.
Полноценный вариант такой батареи будет построен в Эдинбурге до конца 2021 года.
Графен в твердотельных батареях
Куда же без самого необычного и, пожалуй, уникального материала современности – графена. Одна из основных проблем твердотельных батарей – это коррозия, которая способна разрушить батарею.
Инженеры Университета Брауна занимались поиском решения этой проблемы и решили обратить свой взор на графен.
Несмотря на то, что одно из ключевых свойств графена это отличная электропроводимость (что не совсем то, что нужно для электролита батареи), ученым в ходе многочисленных экспериментов удалось нащупать ту золотую середину, когда за счет графена удалось создать твердотельный электролит максимальной прочности с минимально возможной проводимостью графеновых вкраплений.
Именно таким образом получилось создать керамический электролит особой прочности.
Это далеко не все работы ученых в направлении улучшения существующих и создания новых типов аккумуляторных батарей, но, по моему мнению, наиболее яркие из них. Если вам понравился материал, то подписываемся, ставим палец вверх и пишем свое мнение в комментариях. Спасибо за внимание!
Разбираемся, где давно обещанные революционные графеновые батареи и почему мы до сих пор пользуемся аккумуляторами на основе лития.
С выходом каждого нового поколения iPhone мы видим, как улучшаются процессоры, память, дисплеи, камеры и почти все остальные компоненты. Почему мы не видим каких-то значительных улучшений в аккумуляторах? По сравнению с тем, как стремительно развиваются все остальные компоненты смартфона, кажется, что батареи стоят на месте.
Давайте для начала определимся, что не так с существующими литий-ионными батареями, и выясним, в чём их основные недостатки.
Недостатки литий-ионных батарей
Недолговечность
Думаю, каждый из вас замечал, что спустя год использования смартфона батарея теряет ёмкость на 10–15 %. 800–1000 циклов — это предел для большинства аккумуляторов в смартфонах, за этим пределом использование гаджета уже становится непрактичным.
Чувствительность к температуре
Большинство литиевых аккумуляторов плохо переносит перепады температур. Работа при слишком низких или слишком высоких температурах ведёт к деградации аккумулятора. Вспомните, как раньше iPhone вырубался на сильном холоде. На морозе химические компоненты теряют свои свойства и не могут производить достаточного напряжения — в итоге телефон выключается. Максимальный ущерб батареи наносится во время зарядки на морозе.
Высокие температуры также негативно влияют на компоненты батарей. Необязательно использовать телефон в сауне или в жарких странах. Наши девайсы сильно нагреваются, когда мы нагружаем их тяжёлыми задачами. Игры, работа с фото или видео, навигация — всё это заставляет процессор и другие компоненты работать интенсивней и выделять больше тепла. Если подвергать смартфон интенсивной нагрузке и при этом заряжать его, мы неминуемо получим избыточный нагрев.
Чувствительность к интенсивному заряду или разряду
Быстрая зарядка ведёт к излишнему выделению тепла, а высокая температура вредит компонентам батареи. Кроме того, быстрая зарядка может приводить к образованию дендритов на аноде. Дендриты — это такие волокна из металлического лития. Эти образования могут стать причиной замыкания и выхода из строя батареи.
Безусловно, это крайне экстремальный случай и производители стараются его не допустить. Для этого разрабатывают различные протоколы защиты от перегрева и замыкания. Но образование дендритов всё равно негативно влияет на ресурс батарей.
Интенсивный разряд также сопровождается выделением излишнего тепла. К тому же тепло выделяют и другие компоненты: процессор, экран и радиомодули. Всё это ведёт к перегреву батареи и её деградации.
Высокая цена
Литиевые аккумуляторы довольно дороги в производстве — по сравнению с другими типами аккумуляторов, конечно. Дело в том, что сам по себе литий — это редкоземельный металл, и стоит он недёшево. Производство литиевых аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде. А сами аккумуляторы способны сильно отравлять почву, поэтому их обязательно нужно перерабатывать.
Небезопасность
Литий — очень активный металл, и батареи на его основе могут очень ярко и звонко воспламеняться. Один из самых красноречивых примеров — Samsung Galaxy Note 7. Неправильно спроектированная батарея и ряд неудачных совпадений могут натворить беды.
Получается так, что литиевые аккумуляторы довольно дорогие, с прихотливыми и нежными компонентами, да ещё и загрязняют окружающую среду. И тут у вас должен созреть вопрос: если литиевые батареи настолько плохи, почему мы всё ещё ими пользуемся? Где новые изобретения, революционные наноматериалы? Мы же в XXI веке живём!
Одним из таких революционных материалов является графен.
Что такое графен?
По сути, графен — это углерод, а углерод невероятно распространённый элемент на Земле. Графит, алмаз, сажа, графен — всё это углерод, а точнее, его аллотропные формы. Химическая формула у них идентична — «С», но то, как атомы углерода соединены друг с другом, и определяет свойства материала. Алмаз невероятно твёрдый, графит из грифеля карандаша легко можно сломать. Всё потому, что одни и те же атомы в графите и алмазе расположены по-разному.
Атомы в графене также расположены в пространстве особым образом. Во-первых, они выстроены толщиной в один атом. Во-вторых, атомы образуют шестиугольник, похожий на пчелиную соту:
Такая структура наделяет графен просто невероятными свойствами.
Графен — отличный проводник как электронов, так и тепла. Графен прочнее стали в 200 раз, при этом он невероятно гибкий, эластичный и почти прозрачный.
Из-за таких свойств графен получил огромную популярность в среде учёных: ему за пару лет придумали сотни сомнительных применений. В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помёт, чтобы проверить, как это отразится на его качествах.
Благодаря такому хайпу вокруг графена, на рынке появились графеновые куртки, платья, теннисные ракетки, машинное масло с графеном и ещё куча всякого бесполезного барахла, которое зачастую графена в своём составе не имело, а в лучшем случае графена добавляли сотые доли процента.
Дело в том, что чистый графен — чрезвычайно дорогой материал:
- Один грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд;
- Один грамм графена, смешанного с пылью, стоит около $1000.
Может ли графен решить проблемы батарей?
До сих пор человечество не знает коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах. Высокая цена и трудности производства больших количеств графена — это одна из причин, почему мы не видим графеновых аккумуляторов в наших смартфонах. Но это не единственная причина. Использование графена в качестве катода или анода в батареях — не лучшая идея.
Именно поэтому графен не самый подходящий материал для долгосрочного хранения энергии.
В литиевых аккумуляторах заряд запасается за счёт того, что ионы лития проникают внутрь графитового анода и там прочно держатся. Этот процесс называется интеркаляцией. Литиевые аккумуляторы практически не подвержены саморазряду. Вы можете зарядить ваш Power Bank и через 2 месяца им воспользоваться.
Если мы возьмём батарею и вместо графита для изготовления анода применим графен, то ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. В таком случае ионы будут держаться за анод очень слабо, со временем ионы могут самопроизвольно покидать графен. В итоге мы получим саморазряд батарей.
Вариант, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий оторвать много ионов и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Поэтому применение графена выглядит куда логичнее именно в суперконденсаторах, а вот для обычных аккумуляторов графен не особо подходит.
Но ведь графеновые аккумуляторы уже давно продаются
Например, если мы добавим графен в электроды, то повысим их проводимость. По сути, это останется всё такой же литиевый аккумулятор, характеристики которого улучшены графеном на 5–10 %. Подобных продуктов уже полно на рынке. Одним из первых смартфонов на моей памяти с применением графена в батарее был Honor Magic. Но какими-то выдающимися характеристиками его батарея не запомнилась.
Не так давно Наташа уже делала видео про Power Bank с графеном:
По сути, графеновые Power Bank отличаются от обычных только быстрой зарядкой. По большому счёту эти «банки» всё так же греются при зарядке и имеют заурядную ёмкость.
Чисто графеновые батареи на данном этапе развития технологий — это, скорее, маркетинг на хайповой теме. А вот литиевые гибриды, в которых графен используется как вспомогательный компонент, давно применяются. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei и другие бренды вовсю добавляют графен в свои батареи.
Не революция, а эволюция
Если посмотреть на литиевые аккумуляторы под другим углом, то окажется, что они вовсе не стоят на месте, а постоянно развиваются — просто это развитие не скачкообразное, а очень плавное и постепенное. И самое главное: технология литиевых аккумуляторов ещё не достигла своего предела, и, возможно, графен поможет раскрыть потенциал литиевых аккумуляторов на 100 %.
Ёмкость аккумуляторов
Нам кажется, что увеличения ёмкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли запасать порядка 100 Вт·ч/кг, спустя 20 лет постепенного развития эта величина удвоилась. На данный момент литиевые аккумуляторы могут запасать 200–240 Вт·ч/кг. По мнению учёных, им удастся увеличить энергоёмкость до 400 Вт·ч/кг. И, вполне возможно, именно графен поможет приблизить этот показатель к реальности.
Скорость зарядки
Это ещё один важный параметр, который уже сейчас улучшают за счёт графена. Так как графен имеет низкое сопротивление и прекрасно проводит ток, компоненты с добавлением графена меньше греются. Кроме того, графен столь же хорошо проводит и тепло, благодаря этому нагрев компонентов батареи лучше рассеивается.
В последние годы мы видим, как стремительно развиваются технологии быстрой зарядки. Не так давно гремели презентации технологий быстрых зарядок мощностью 120 Вт. И вот совсем недавно Xiaomi показала зарядку мощностью 200 Вт, которая наполняет батарею Mi 11 Pro ёмкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, в батарее этого Mi 11 Pro не обошлось без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.
Чувствительность к температуре
Что пока не удалось значительно улучшить, так это чувствительность батарей к перепадам температуры и количество циклов заряда-разряда. В этих вопросах пока даже графен животворящий особо помочь не может. Точнее, графен помогает частично нивелировать негативное воздействие перегрева, а вот с низкими температурами бороться у него не выходит.
Продление срока службы
Что касается увеличения количества циклов заряда-разряда, то тут в помощь приходит другой компонент — кремний. Он позволяет увеличить ресурс литиевых батарей до 300 %, но побочный эффект кремния — увеличение размеров аккумуляторов. В итоге батареи с кремнием либо будут иметь такую же ёмкость, как и сейчас, но при этом будут физически в несколько раз больше, либо мы можем сделать компактную и долгоживущую батарею, которая будет иметь маленькую ёмкость.
Если подытожить, то можно сказать, что аккумуляторные технологии не стоят на месте, да и резких скачков не происходит. Но постепенный и очень уверенный прогресс всё же идёт. Не стоит ожидать от графена каких-то магических свойств. Графен не приведёт к революционному скачку в развитии батарей и уж точно не заменит технологию литиевых аккумуляторов, а только дополнит её. Думаю, не зря Илон Маск делает ставку именно на литиевые батарейки. Tesla не просто так вкладывает огромные средства в развитие именно литиевых аккумуляторов.
Что ж, нам остаётся только запастись терпением и ждать, когда технологии станут более совершенными и батареи окончательно избавятся от своих последних слабых мест!
В сегодняшних аккумуляторах, которые используются в ряде устройств: от фитнес-браслетов и смартфонов до электромобилей, часто применяются тяжелые металлы, в частности кобальт и никель. Например, в литий-ионных аккумуляторах катод (отрицательный электрод) может выполняться из кобальтата лития или никелата лития. Сами по себе эти металлы могут представлять угрозу как здоровью человека, так и окружающей среде. Кроме того, их запасы ограничены, а при добыче кобальта, по данным Financial Times, используются детский труд.
Новая технология IBM предполагает создание аккумулятора на базе трех новых материалов, среди которых тяжелых металлов нет. Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают, однако уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.
Преимущества новой технологии
По словам специалистов IBM Research их разработка превосходит литий-ионную технологию по многим важным параметров. Так, если верить ученым, их аккумулятор сможет заряжаться до уровня 80% за пять минут, при этом вероятность воспламенения такого устройства значительно ниже по сравнению с литий-ионными аналогами. У последних меньшая температура возгорания.
Энергетическая плотность новинки сопоставима с передовыми образцами литий-ионных аккумуляторов (более 800 Вт*ч/л), а ее энергоэффективность превышает 90%.
Кроме того, исследователи утверждают, что проведенные ими тесты показали возможность применения этой технологии при изготовлении аккумуляторов с весьма продолжительным сроком службы, однако не приводят каких-либо конкретных данных на этот счет.
Сферы применения аккумуляторов IBM
Исследователи полагают, что продукция на основе разработанной ими технологии может найти применение в энергетике, автомобиле- и авиастроении.
Несмотря на то, что исследования находятся на ранней стадии, IBM Research заключила контракты на совместную разработку нового поколения аккумуляторов и инфраструктуры для их совершенствования и производства с Mercedes-Benz Research, Central Glass (производитель электролитов) и Sidus (производитель аккумуляторных батарей).
Не без помощи искусственного интеллекта
IBM Research также сообщает, что в своей работе команда использует технологию искусственного интеллекта (ИИ), называемую семантическим обогащением. Она применяется для дальнейшего улучшения характеристик батареи путем выявления наиболее подходящих и безопасных материалов.
Альтернативные разработки
Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые аккумуляторы и положить конец их далеко не самым экологичным и этичным производству и утилизации.
Киберучения: как отработать реагирование на атаки хакеров на полигоне
В декабре 2018 г. CNews писал о том, что ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.
Еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.
В ноябре 2018 г. стало известно, что в Китае стартовало производство аккумуляторов с твердым электролитом, которые в обозримом будущем могут стать частью мобильной техники и транспортных средств. Предполагалось, что они придут на смену литий-ионным батареям за счет большей компактности и безопасности.
Новое поколение аккумуляторов в десять раз увеличит время работы мобильных устройств и сделает электромобили конкурентоспособными на рынке. В этой статье мы расскажем про самые перспективные разработки.
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.
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 2020 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
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.
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.
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.
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.
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.
Использование энергии радиоволн
В ходе тестов система отправляла до 1000 бит в секунду и использовала для этого волны ТВ-передатчиков, расположенных на расстоянии от 800 м до 11 км.
Аккумуляторы для элементов автомобиля
В электромобилях или гибридных машинах аккумуляторы обычно располагаются в багажнике. Европейский исследовательский проект StorAGE хочет устранить этот недостаток,
и Volvo в качестве участника данного проекта представила решение.Производитель разработал легкие аккумуляторы. Их электроды из углеродных волокон окружают углеродные нанотрубки, покрытые литием. Вся конструкция заливается полимерной смолой, а в качестве изолирующего слоя применяется стекловолоконный холст.
Аккумулятор получается настолько плоским, гибким и прочным, что его можно использовать в качестве несущей конструкции автомобиля.
Также с каждым движением тела мы производим небольшое количество энергии, которая может быть преобразована в ток. Генератор на колесе велосипеда — лучший пример. Было бы неплохим вариантом использовать эту энергию для подзарядки смартфона. В технологическом институте Джорджии (Атланта) исследователи изобрели генератор, который вырабатывает электричество из трения.
Он состоит из четырех плоских дисков, расположенных друг над другом. Три из них смонтированы неподвижно и выглядят как слои торта, к ним прикреплены электроды. Над ними перемещается медный диск. Когда ротор трется по расположенному под ним «куску торта» с покрытием из золота, возникает напряжение, благодаря чему генератор непрерывно вырабатывает переменный ток и обеспечивает мощность до 1,5 Вт.
Все устройство невелико и помещается в кармане: при диаметре 10 см и объеме 0,6 см 3 его вес составляет1,1 г. В будущем у нас всегда будет под руками источник питания — стоит лишь немного потереть его.
Фотографии в статье: Eliza Grinnell/Harvard School of Engineering and Applied Sciences; Lawrence Berkeley National Laboratory, Imprint Energy, Inc.; Nanoflowcell; Sensor Systems Laboratory/University of Washington; Xudong Wang; Volvo
Читайте также: