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.
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.
Представьте себе мобильный телефон, который держит заряд больше недели, а затем заряжается за 15 минут. Фантастика? Но она может стать реальностью благодаря новому исследованию ученых Северо-Западного университета (г. Эванстон, штат Иллинойс, США). Команда инженеров разработала электрод для литиево-ионных перезаряжаемых батарей (которые сегодня используются в большинстве сотовых телефонов), позволивший увеличить их энергетическую емкость в 10 раз. Этим приятные сюрпризы не ограничиваются — новые аккумуляторные устройства умеют заряжаться в 10 раз быстрее нынешних.
Для преодоления ограничений, налагаемых существующими технологиями на энергетическую ёмкость и скорость заряда батареи, ученые применили два различных химико-технологических подхода. Полученный в результате аккумулятор позволит не только продлить время работы мелких электронных устройств (вроде телефонов и лэптопов), но и подготовить почву для разработки более эффективных и компактных батарей для электромобилей.
«Мы нашли способ продлить время удержания заряда новой литиево-ионной батареей в 10 раз», — сообщил профессор Гарольд Х. Кунг (Harold H. Kung), один из ведущих авторов исследования. - «Даже после 150 сеансов зарядки/разрядки, что означает не менее года работы, она остается впятеро эффективнее, чем литиево-ионные баратеи, присутствующие сегодня на рынке».
Работа литиево-ионной батареи основана на химической реакции, в которой ионы лития движутся между анодом и катодом, размещенными на противоположных концах батареи. В процессе эксплуатации аккумулятора ионы лития мигрируют от анода через электролит к катоду. При зарядке же их направление сменяется прямо противоположным. Существующие на данный момент аккумуляторы имеют два важных ограничения. Их энергетическая емкость - то есть время удержания заряда батареей - ограничена плотностью заряда, или тем, сколько ионов лития может разместиться на аноде или катоде. В то же время скорость зарядки такого аккумулятора ограничена скоростью, с которой ионы лития способны двигаться через электролит к аноду.
В нынешних перезаряжаемых батареях в аноде, созданном из множества графеновых листов, на каждые шесть атомов углерода (из которых состоит графен) может приходиться лишь один атом лития. В попытке увеличить энергетическую емкость аккумуляторов ученые уже экспериментировали с заменой углерода на кремний, способный вместить куда больше лития: по четыре атома лития на каждый атом кремния. Однако кремний в процессе зарядки резко расширяется и сжимается, чем вызывает фрагментацию вещества анода и, как результат, быструю потерю зарядной емкости батареи.
В настоящее время малая скорость зарядки батареи объясняется формой графеновых листов: по сравнению с толщиной (составляющей всего один атом) их длина оказывается непомерно большой. Во время зарядки ион лития должен преодолеть расстояние до внешних краев графеновых листов, а затем пройти между ними и остановиться где-то внутри. Так как для достижения середины графенового листа литию требуется немалое время, у краев его наблюдается что-то вроде ионного затора.
Как уже говорилось, исследовательская группа Кунга решила обе эти проблемы, взяв на вооружение две различные технологии. Во-первых, для обеспечения устойчивости кремния и, соответственно, поддержания максимальной зарядной емкости батареи, они разместили кластеры кремния между графеновыми листами. Это позволило увеличить количество ионов лития в электроде, одновременно используя гибкость графеновых листов для учета изменений объема кремния в процессе зарядки/разрядки батареи.
«Теперь мы одним выстрелом убиваем обоих зайцев», — говорит Кунг. - «Благодаря кремнию мы получаем более высокую плотность энергии, а чередование слоев уменьшает потерю мощности, вызванную расширением с сокращением кремния. Даже при разрушении кластеров кремния сам кремний больше никуда не денется».
Кроме того, исследователи использовали процесс химического окисления для создания миниатюрных (10-20 нанометров) отверстий в графеновых листах («in-plane defects»), обеспечивающих ионам лития «быстрый доступ» внутрь анода с последующим хранением в нем в результате реакции с кремнием. Это уменьшило время, необходимое для зарядки батареи, в 10 раз.
Пока что все усилия по оптимизации работы батарей были направлены на одну из их составляющих - анод. На следующем этапе исследований ученые с той же целью планируют изучить изменения в катоде. Кроме того, они хотят доработать электролитную систему таким образом, чтобы батарея могла автоматически (и обратимо) выключаться при высоких температурах - подобный защитный механизм мог бы пригодиться при использовании батарей в электромобилях.
По словам разработчиков, в текущем виде новая технология должна выйти на рынок в течение ближайших трех-пяти лет. Статья, посвященная результатам исследования и разработки новых аккумуляторных батарей, была опубликована в журнале «Advanced Energy Materials».
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…