Аккумуляторы нового поколения эссе

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.

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).

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%.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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

Эксперты прогнозируют, что до 2020 года более 50 млрд миниатюрных устройств будут взаимодействовать друг с другом. Исследователи Вашингтонского университета разработали беспроводную коммуникационную систему, использующую энергию телевизионных сигналов и сигналов мобильной связи. Хотя КПД и невысок, однако достаточен для передачи сообщений.

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 см³ 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

Создан аккумулятор будущего для автомобилей. Чем он отличается от обычных батарей и как поможет спасти жизнь пассажиров?

Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.

Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.

В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.

Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году. Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона.

Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы. Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день.

Как работает аккумулятор

В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция. Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделённые электролитом.

Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция. Атомы металла теряют электроны и становятся положительно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду.

Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду. В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.

Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается. Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду.

Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.

В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.

В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1. Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором.

В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.

Несмотря на тысячи опубликованных исследований, миллиарды потраченных долларов и десятки стартапов технология работы аккумулятора не сильно изменилась с 1991 года. Аккумулятор IPhone X по составу практически идентичен аккумулятору видеокамеры Sony.

Альтернативы литий-ионному аккумулятору

На основе кремния

В 2011 году бывший сотрудник Tesla Джин Бердичевский вместе с Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным основал компанию Sila Nanotechnologies. Они решили использовать кремний как наиболее перспективный материал для производства аккумуляторов: атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития.

Эксперименты с кремнием проводились до 2011 года, однако безуспешно. При зарядке анод поглощает ионы лития и увеличивается в объёме, а при разрядке возвращается к прежнему размеру.

Расширение и сжатие анода — одна из причин, почему аккумулятор смартфонов теряет ёмкость со временем. Графитовый анод может служить около двух лет (1000 циклов разрядки), однако кремния хватает на пару циклов.

Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода. По словам Бердичевского, материал будет доступен для производства в 2019 году и сможет повысить уровень безопасности использования аккумуляторов и увеличить энергоёмкость на 20% (а в будущем, возможно, до 40%).

Энергоёмкость современных аккумуляторов постоянно увеличивается, но вместе с ней увеличиваются и риски, потому что слои анода и катода становятся тоньше и располагаются всё ближе друг к другу. Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.

Так как литий опасен, то его количество в литий-ионном аккумуляторе не превышает 2%. Если бы можно было использовать чистый литий, энергоёмкость аккумулятора увеличилась бы в десятки раз. Основатель и генеральный директор Ionic Materials Майк Циммерман, возможно, нашёл способ использовать чистый литий в аккумуляторах.

По его мнению, проблема заключается в электролите. В последнее время заметна тенденция использования гелей и полимеров вместо жидких электролитов, однако они в основном огнеопасны. Ionic Materials создала недорогой, гибкий и прочный полимер с электропроводностью при комнатной температуре. Компания вбивала гвозди в аккумуляторы, стреляла в них из огнестрельного оружия и разрезала ножницами, но аккумуляторы не горели.

Циммерман считает, что новый полимер позволит использовать чистый литий и ускорит появление литий-серных и литий-кислородных аккумуляторов на рынке. Но будущее, возможно, не за литием.

На основе углерода

В 2013 году инженер-разработчик в Netscape Стивен Воллер основал компанию ZapGo, занимающуюся разработкой аккумуляторов на основе углерода. Эти аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, сохранять заряд так же долго, как литий-ионные аккумуляторы.

Если аккумуляторы накапливают энергию благодаря химическим реакциям, то суперконденсаторы запасаются ею в электрическом поле. Однако они не могут накопить столько же энергии, как аккумуляторы, и теряют её очень быстро.

Некоторые учёные считают, что объединение суперконденсаторов с аккумуляторами может стать решением всех проблем. Суперконденсаторы могут лечь в основу гибридного телефона, который заряжается за пару минут и у которого есть запасной литий-ионный аккумулятор.

ZapGo разработала аккумулятор с твёрдым невзрывающимся электролитом и двумя электродами из тонких слоёв алюминия, покрытых наноуглеродным материалом. В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники. Однако Воллер утверждает, что ZapGo может искусственно уменьшить его срок службы.

Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. Современное зарядное устройство замедляет количество электрического тока, поступающего в аккумулятор, чтобы он не износился раньше времени и не загорелся.

Для аккумулятора компании ZapGo или любого другого, работающего на базе суперконденсатора, нужно зарядное устройство, которое, наоборот, накапливало бы энергию из розетки и подавало бы её в телефон в один миг.

Углеродные аккумуляторы — это, возможно, один из шагов на пути к будущему, в котором у телефонов есть гибкие экраны и 5G-интернет.

Аккумуляторы нового поколения

13.01.17 | Рубрика: Альтернативные источники тока, Литиевые источники тока, Потребители энергии, Свинцово-кислотные АКБ, Топливные элементы. Просмотры: 1 837

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.

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).

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%.

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.

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.

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.

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

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.

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.

Энергия из сахара

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.

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

Эксперты прогнозируют, что до 2020 года более 50 млрд миниатюрных устройств будут взаимодействовать друг с другом. Исследователи Вашингтонского университета разработали беспроводную коммуникационную систему, использующую энергию телевизионных сигналов и сигналов мобильной связи. Хотя КПД и невысок, однако достаточен для передачи сообщений.

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 см3 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

Источник: ichip

Метки:: кремний, литий-ионные батареи, литий-серные батареи, металл-воздушные аккумуляторы, производство батарей, технологии

Над ним работают в американской компании IBM. Идея состоит в исключении использования тяжелых металлов. Аккумуляторы нового поколения улучшат экологию.

Массовое распространение электромобилей рождает спрос на источники питания для них. Существующая технология производства литий-ионных батарей требует значительного количества никеля и кобальта. Эти тяжелые металлы сложно добываются и далеко не безвредны после отработки ресурса аккумуляторов. К тому же сам процесс добычи с точки зрения экологии весьма грязный.

Что такое аккумуляторы нового поколения для электромобилей

IBM Research Battery Lab подошла к решению вопроса применения вместо никеля и кобальта других составляющих. Их добывают из обычной морской воды.   

Какие это материалы

Оформлен патент на три составляющих аккумулятора. Их названия держатся в секрете. Известно, что среди них электролит и катодный элемент, свободный от никеля и кобальта.

Материалы получают по принципу семантического обогащения. Этот процесс связан с использованием искусственного интеллекта. Также применяется методы машинного обучения.

Преимущества нового источника питания

О негативном влиянии на окружающую среду в этом случае ничего не сообщается. Остается полагать, что оно полностью отсутствует. Иначе не было бы смысла заниматься проблемой.

Во время процесса зарядки составляющие батареи не провоцируют выделение дендритов лития. Это свойство в значительной мере снижает риск перегрева аккумулятора и его возгорания. Температура воспламенения такого электролита очень высока. Поэтому пожарная опасность снижается. Это одно из основных достоинств изобретения против литий-ионной технологии.

Аккумуляторы нового поколения для электромобилей обладают еще несколькими существенными достоинствами. Во-первых, плотность хранения энергии в них составляет более 800 Вт-час/литр. Это не уступает литий-ионным источникам питания. Во-вторых, удельная мощность равна 10 000 Вт/литр. Здесь все выглядит еще лучше. Ни один сегодняшний аккумулятор не достигает такой величины.

В-третьих, для зарядки батареи новой конструкции на 80% достаточно пяти минут времени. Энергетическая эффективность достигает 90% (соотношение энергии зарядки и разрядки). Наконец, стоимость окажется существенно ниже против сегодняшних аккумуляторов. На это в основном влияет отсутствие в их составе тяжелых металлов.

Относительно срока службы, разработчики утверждают, что и здесь есть хорошие перспективы. Батарея способна эксплуатироваться длительное время.

Как это отразится на электромобилях

При воплощении в реальное производство этого изобретения могут произойти глобальные перемены. Машины на электрической тяге станут дешевле за счет аккумуляторов. Скорость зарядки практически станет сравнимой с заправкой традиционных автомобилей.

Где еще возможно применение

Аккумуляторы нового поколения могут стать востребованными для аппаратов, требующих по специфике использования наличия двух его характеристик. Это высокая плотность энергии и мощностные способности. Таковыми являются различные летательные аппараты и самолеты на электричестве.

Долговечность использования может обеспечить надежную работу инновационных энергетических структур и приложений для интеллектуальных электрических сетей.

Читайте также: Проточная батарея как альтернатива аккумулятору электромобиля

Перспективы реализации вопроса  

Пока все результаты достигнуты на уровне тестов. Они подтверждают теоретические выводы о возможности создания промышленной технологии производства батарей на этой основе.

 Для дальнейшего продвижения в вопросе IBM Research нашла компаньонов. Приблизить аккумуляторы нового поколения к промышленному производству помогут несколько известных компаний. Среди них Mercedes-Benz Research and Development North America, Sidus (изготовитель аккумуляторов) и Central Glass (поставщик батарей и электролитов).

Такое содружество вселяет надежду на успешное решение проблемы и создание новой экосистемы разработки инновационных аккумуляторов.

Читайте также: Переработка аккумуляторов электромобилей Volkswagen

Автор: Сергей Морозов

Внимание! Эта статья защищается законом об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA). Запрещается любое копирование без моего разрешения.

Графеновые аккумуляторы — технология будущего

Ритм современной жизни становится все стремительнее – мы стараемся сделать больше дел за короткое время. Мобильные устройства помогают нам увеличить «скоростные нормы», но и они иногда подводят – ресурс автономной работы ограничен ёмкостью аккумуляторов и временем их заряда.

Производители мобильных устройств мечтают о «вечной батарейке», а ученые стараются мечту сделать реальностью.

Графеновые аккумуляторы – описание, история создания

Технологическим прорывом на пути создания сверхъемких аккумуляторных батарей стало открытие графена.

Графен – это углеродная пленка, образованная жестким соединением атомов углерода в гексагональную структуру, напоминающую пчелиные соты. Получен уникальный материал из графита методом расщепления. Толщина листа графена всего один атом – это первый в истории двумерный кристалл, который представляет собой почти идеальный проводник.

Ученые за открытие графена получили Нобелевскую премию, потому что материал нового поколения уникален и обладает, помимо тонкости, другими замечательными свойствами:

• высокой электропроводностью;
• гибкостью;
• теплопроводностью;
• огромной механической прочностью;
• прозрачностью;
• непроницаемостью для большинства газов и жидкостей.

В последние годы для исследований технологий на основе графена выделяются большие средства – область его применения обширна: в отраслях высоких технологий, в электротехнической области промышленности, в космических и военных отраслях, в медицине, в автомобилестроении и сфере экологии.

Идеален графен для производства аккумулятора – максимальное отношение поверхности графенового листа к объему позволяет компоновать материал в плоский проводник, который накапливает большой заряд практически мгновенно.

Справка: Аккумуляторные батареи – это химические источники тока, способные многократно накапливать и отдавать заряд.

Состав батареи

Графеновый аккумулятор что это и как он устроен рассмотрим подробно.

Устройство представляет собой специальный металлополимерный корпус, в который вставлены две пластины из разнородных металлов (медь и алюминий) с выводами для обеспечения электрических контактов – между электродами помещен электролит (жидкий или твердый). Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса стоит разделительная пластина – сепаратор, который не дает отрицательно заряженным атомам лития свободно перемещаться между электродами.

Устройство графеновых аккумуляторов сходно с литий-полимерными, только в графеновых батареях электролитом и сепаратором служит графен.

Принцип работы

Схема работы графен-полимерных аккумуляторов не отличается от литий-ионных. Принцип одинаков – при заряде и разряде ионы лития постоянно перемещаются между анодом и катодом через электролит, в то время как электронам приходится достигать анода или катода по внешней цепи, создавая в ней электрический ток.

Происходит это так:

1. При разряде на аноде происходит окислительная химическая реакция, которая приводит к появлению свободных электронов. Они стремятся попасть на катод, где их концентрация мала, однако на пути свободных электронов возникает сепаратор, поэтому для них остается единственный путь – цепь нагрузки, куда замкнута батарея. Направленное движение электронов питает присоединенное к батарее устройство энергией.
2. Положительно заряженные ионы лития также направляются к катоду, но уже через сепаратор, который свободно пропускает положительно заряженные частицы.
3. После перемещения всех электронов к катоду наступает фаза разряда аккумулятора.
4. Подав на электроды напряжение определенной величины, можно запустить процесс перемещения ионов в обратном порядке – электроны опять соберутся на аноде и будут оставаться там до очередного подключения нагрузки.

Преимущества над литиевыми

Несмотря на сходство конструкции и принцип действия, графитовые аккумуляторы превосходят литиевые по своим характеристикам – графен быстрее накапливает заряд за счет высокой электропроводности.

Технические возможности

Аккумулятор нового поколения на основе графена обладает уникальными свойствами – применение таких источников энергии станет прорывом в создании электромобилей и производстве смартфонов.

Скорость зарядки

Испанские разработчики представили прототип аккумулятора на основе графена – время полного заряда такой батареи в десятки раз меньше, чем аналогичных литий-полимерных батарей, а в режиме быстрой зарядки составляет всего пять минут.

Huawei в одной из своих моделей использовала технологию быстрой зарядки – благодаря вкраплениям графена 45 процентов заряда накапливалось за пять минут.

Накопительные свойства графеновых батарей

Графен на счет своего строения способен в большом количестве накапливать электрические заряды на своей поверхности, что позволяет значительно увеличить емкость графеновых батарей.

Компания «Graphenano» запустила в производство аккумуляторы «Grabat» с емкостью позволяющей электромобилю проехать более тысячи километров без подзарядки.

Внимание! Немецкие концерны начали тестирование АКБ «Grabat» на собственных автомобилях – эра бензиновых двигателей заканчивается.

Сфера применения

Высокие емкость и скорость заряда/разряда графеновых батарей, а также низкая стоимость их производства станет новой вехой в производстве электромобилей.

До сих пор производительность мобильных устройств и телефонов существенно ограничивалась временем автономной работы – с графеновыми источниками энергии стоит ожидать появления гаджетов с невероятными возможностями. Корпорация Samsung решает проблему внедрения графена в накопители энергии для телефонов с помощью графеновых шариков.

Важно! Пока не созданы достаточно маленькие батареи из графена для электронных девайсов – графеновые технологии используются только при производстве внешних аккумуляторов, способных заряжать смартфон вместо полутора часов за 10-12 минут.

Преимущества графеновых батарей

Повсеместное внедрение источников энергии на основе графена только вопрос времени, ведь его преимущества перед другими видами аккумуляторов очевидны.

Небольшой вес

Графен очень легкий – два квадратных метра весят всего полтора грамма. Поэтому графеновые АКБ весят значительно меньше, чем аналогичные литий-ионные батареи.

Высокая проводимость

Простая кристаллическая структура кристалла графена не создает препятствий движению электронов – его электропроводность выше, чем у полупроводников. Это свойство графена дает возможность графеновым батареям заряжаться быстрее остальных АКБ.

Прочность

Прочность графена близка к прочности алмаза, поэтому разработчики уверены, что батареи на его основе будут более устойчивы к разрушениям.

Водонепроницаемость

Для стабильного состояния аккумуляторов разработана технология превращения графеновых пластин в водянистый гель – гелевый раствор уменьшает время зарядки батареи до нескольких секунд.

Высокая удельная емкость

Электрод, изготовленный из графена, позволяет ионам лития не только скапливаться на поверхности, но и проникать внутрь материала, что увеличивает количество заряженных частиц в аккумуляторе, значительно увеличивая его емкость.

Невысокая стоимость

Графит широко распространен на земле, а производство графена недорого – батареи из этого материала стоят дешевле литий-ионных.

Замена дорогого и редкого лития на магний по технологии, используемой в России, значительно удешевит производство.

Проблемы новой технологии

Плюсы новой технологии очевидны, но производство графеновых АКБ имеет и свои недостатки.

Неподходящая плотность материала

Графен имеет низкую плотность, что ограничивает создание компактных источников энергии.

Большие размеры аккумуляторов

Большой размер батарей не позволяет устанавливать их в мобильные устройства.

Внимание! Можно сделать магний-графеновый аккумулятор своими руками, однако процесс создание графена в домашних условиях сложен:

• в металлической емкости в течение двух суток миксером, который работает от асинхронного двигателя, взбивают графитовый порошок и жидкость для мытья посуды;
• пену высушивают, полученную пыль растворяют в лаке для обработки алюминия;
• состав наносят на подложку из алюминия – получившийся материал и есть графен.

Перспектива использования графеновых аккумуляторов в качестве альтернативного источника энергии может радикально изменить будущее человечества – отказ от углеводородов поможет улучшить экологию планеты.