Батарейки их настоящее и будущее кратко
Обновлено: 04.07.2024
В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.
На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.
Химия как источник электричества
Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.
Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.
Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.
Возможность перезарядки
Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.
На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.
Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.
Твердый электролит
В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H+, ионы лития Li+ или ионы кислорода O2-.
Водородные топливные элементы
Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.
Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.
Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.
Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.
Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O2–, как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.
Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.
Эффективность топливных элементов
Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.
Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать , например, графеновые мембраны.
В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.
Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.
Альтернативные электрохимические накопители
Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках .
Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.
N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?
Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.
Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.
Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.
Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.
Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?
Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.
Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?
Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике . Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.
В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.
Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.
В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?
Проблемы быстрых людей
Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал. Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.
Кадр: Real World Police / YouTube
Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных. Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.
Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.
Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.
Как нам обустроить EV?
Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час. Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.
Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.
Основная проблема твердотельных элементов заключается в их дороговизне. Однако и литий-ионные батареи всего каких-то 20 лет назад были дороги в производстве и эксплуатации
Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.
Фото: Michele Tantussi / Reuters
Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.
Нам бы их проблемы Смартфон-рулон, умный унитаз и датчик мочевого пузыря: самые странные изобретения 2021 года
Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей. В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.
Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.
Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.
Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.
Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.
Согласно отчету Verified Market Research, мировой рынок аккумуляторов по итогам 2019 года оценивался в $36,35 млрд. К 2027 году он может вырасти до $116 млрд. При этом объем российского сегмента рынка систем накопления энергии к 2025 году может составить $1,5-3 млрд в год. Минэнерго в своей концепции 2017 года заявляло о $8 млрд к 2025 году.
Наиболее популярными хранилищами энергии остаются литий-ионные аккумуляторы. Однако компании и исследователи находятся в поиске новых решений, которые станут более энергоемкими, дешевыми и экологичными.
Электротранспорт и бытовая техника
Продвинутый Li-Ion
В 2019 году Tesla объявила о разработке батарей, способных выдержать 1 млн миль (свыше 1,6 млн км) пути без необходимости замены. Текущие аккумуляторы нужно менять после 300 — 500 тыс. миль проделанного пути.
Речь идет о литий-ионных батареях с катодом следующего поколения и новым электролитом. Даже при температуре в 40 °C они выдерживают 4 000 циклов заряда-разряда, а с активной системой охлаждения аккумуляторы смогут выдерживать до 6 000 циклов. Пока вышли первые протестированные образцы.
Графит
В 2020 году Mercedes-Benz объявил о планах по созданию органического аккумулятора. Основой технологии станет графит с электролитом на водяном растворе. Это позволит исключить использование тяжелых и токсичных металлов, а утилизировать батареи можно будет путем компостирования. Однако в Mercedes отмечают, что начало массового производства таких аккумуляторов начнется не раньше, чем через 15 лет.
Углеродные волокна
В 2021 году группа ученых из технологического университета Чалмерса в Швеции представила аккумулятор для автомобиля из углеродного волокна. Ученым удалось добиться номинального напряжения 2,8 В, а батареи имели удельную емкость 8,55 А·ч/кг, плотность энергии 23,6 Вт·ч/кг (при 0,05 °C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3 °C) и толщину 0,27 мм. Это примерно 4 680 ячеек, которые Tesla помещает в электрокары, чтобы иметь плотность энергии 380 Вт·ч/кг.
Батарея из углеродного волокна в виде крышки багажника (Фото: Advanced Energy and Sustainability Research)
В будущем такие аккумуляторы из композитных материалов можно будет использовать как в автомобилях, так и в самолетах, чтобы сделать их легче и экологичнее. Пока ведутся испытания прототипов разных форм-факторов.
Без кобальта
В конце 2019 года IBM представила образец аккумулятора без никеля и кобальта, из материалов, которые могут быть получены из морской воды. Он включает комбинацию катодного материала без тяжелых металлов и безопасного жидкого электролита с высокой температурой горения. Специалисты уже подсчитали, что эти материалы могут сделать аккумуляторы дешевле существующих литий-ионных и при этом будут иметь более высокие характеристики скорости зарядки и энергетической плотности, а также будут менее огнеопасными.
Авторы разработки считают, что у нее есть потенциал для внедрения в отрасль электромобилей. Для достижения заряда на уровне 80% батарее требуется менее пяти минут, она имеет энергоэффективность более 90%, а ее мощность превышает 10 000 Вт/л, что больше показателей самых мощных литий-ионных батарей. Кроме того, тесты показали, что батарея способна прослужить достаточно долго, чтобы ее можно было использовать в интеллектуальных электросетях и новой энергетической инфраструктуре.
Для будущего производства аккумуляторов IBM уже заключила коммерческое соглашение с Mercedes-Benz, поставщиком электролита Central Glass и производителем батарей Sidus.
Полимеры
В 2017 году стартап Ionic Materials презентовал полимерный аккумулятор, который в перспективе сможет заменить литий-ионные. Компания заявила, что полимерные литий-металлические аккумуляторы будут безопаснее, долговечнее и экономически выгоднее, так как процесс их производства похож на производство пластиковой упаковки.
Разработка имеет высокое относительно литий-ионных аккумуляторов напряжение (5 В). Прототип, как заявляет производитель, выдерживает до 400 циклов заряда-разряда. Компания работает над тем, чтобы увеличить этот показатель втрое.
Полимер для аккумуляторов получили из алюминия и других распространенных материалов.
На цинке
EnZinc, стартап по производству цинковых батарей, заявил в 2021 году, что нашел способ для замены лития на нетоксичный и дешевый цинк в аккумуляторах. До этого на рынке существовали только неперезаряжаемые цинковые батареи.
Уже появились первые цинковые батареи, которые можно быстро заряжать и разряжать, и которые имеют высокую емкость, 460 Вт·ч/кг (по сравнению со 120 Вт·ч/кг для больших литиевых аккумуляторов). Они выдерживают несколько тысяч циклов зарядки и разрядки. Ведутся испытания образцов.
Такие батареи могут стоить $100 за кВт·ч, что вдвое дешевле самых простых литий-ионных версий. Их можно будет масштабировать для мобильных телефонов и до транспортных систем, а также для нужд электроэнергетики.
В 2020 году американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая потенциально может проработать тысячи лет. Разработка имеет специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный центр, работающий на переработанных ядерных отходах углерода-14. Бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток.
Nano Diamond Battery уже предложила разные форм-факторы, в том числе широко распространенные АА, AAA, 18650, CR2032 и другие.
Пока разработку будут тестировать предприятия, которые производят, обслуживают и утилизируют продукты ядерного топлива, а также компании аэрокосмической, оборонной и охранной продукции.
Кроме того, в МИСиС разработали термохимические ячейки, которые превращают тепло в электрическую энергию. Эти элементы можно размещать на одежде и использовать их энергию для зарядки мобильных устройств.
Альтернативная энергетика
Солнечная энергия
В мае 2012 года международная группа ученых разработала новые ультратонкие металлические электроды на золоте, которые позволят создавать прозрачные солнечные панели. Эти панели можно будет устанавливать в окнах домов и офисов. Они будут аккумулировать энергию солнечного света в течение дня.
А в 2020 году Tesla презентовала собственный инвертор солнечной энергии, который дополнит линейку домашних солнечных батарей компании. Он будет преобразовывать солнечную энергию в энергию постоянного тока, а затем — в энергию переменного тока для бытового потребления. Устройство сможет работать при температурах от минус 30 °C до 45 °C. В зависимости от числа трекеров точки максимальной мощности, оно сможет выдавать от 3,8 кВт до 7,6 кВт мощности.
Геотермальная энергия
Американский стартап UC Won в 2020 году предложил концепцию геотермального накопителя GeoTES (Geological Thermal Energy Storage) для круглосуточного использования солнечной энергии. Система объединит солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами (фокусируют лучи в одной точке), подземное хранилище тепла в осадочных породах (образуются при низких температурах и давлении) и электрогенерирующее оборудование на пару в виде трубок и турбины. При нагревании солнцем вода в трубках будет испаряться, а пар будет входить в турбину и одновременно закачиваться под землю, разогревая осадочную породу. Ночью вода под землей будет испаряться уже под воздействием разогретой породы. Получаемый пар используют для выработки электроэнергии.
Криосистемы
Стартап из Великобритании Highview Power начал работы в Манчестере по строительству комплекса CRYOBattery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВт·ч. Система CRYOBattery будет захватывать воздух из атмосферы в специальную емкость и сжимать его при сверхнизких температурах (минус 196 °C), чтобы превратить в жидкость. Эту жидкость поместят в баки с теплоизоляцией и низким давлением. Нагревание вернет воздух в газообразное состояние, а газ приведет в действие турбины генераторов, которые будут вырабатывать электричество.
В мае 2021 года международная группа ученых представила новые ультратонкие металлические электроды из золота, которые можно будет применять для разработки прозрачных солнечных панелей. Потенциально такие панели можно будет встраивать в окна домов и офисов, чтобы аккумулировать энергию.
Гравитация и другие необычные решения
Шотландский стартап Gravitricity в 2021 году объявил о начале пилотного проекта гравитационного накопителя энергии в Эдинбурге, крупнейшем закрытом глубоководном порту.
Будущие системы Gravitricity будут устанавливаться над 150-1500-метровыми заброшенными шахтами. Масса грузов при этом может варьироваться от 500 т до 5 тыс. т. При спуске груза будет происходить выработка электроэнергии. Она будет возвращаться в сеть в моменты пикового потребления. Приводом лебедки груза будет служить электрическая машина, способная поглощать или вырабатывать электрическую энергию при подъеме или опускании груза. Такая система позволит обеспечить 4 МВт мощности и может проработать 50 лет без потери производительности. Gravitricity собирается внедрять свою технологию в вышедших из эксплуатации шахтах по всему миру.
А ученые Массачусетского технологического института разработали батарею, которая будет питаться углекислым газом из любого источника. Она может поглощать потоки как из выхлопной трубы автомобиля, так и собирать углекислый газ из атмосферы.
Батарея состоит из ряда последовательных камер, в которых находятся электрохимические ячейки, пропускающие поток. Когда она заряжается, на поверхности электродов протекает электрохимическая реакция, а затем батарее требуется разрядка для очистки электродов. Чистый газ при этом откачивается в отдельную камеру.
Cистема может выдерживать не менее 7 тыс. циклов зарядки-разрядки с 30% потерей эффективности за это время. В будущем этот показатель может вырасти до 20–50 тыс. циклов.
Демонстрация работы батареи на углекислом газе
Между тем исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая с помощью крошечных интеллектуальных устройств позволит преобразовывать беспроводные радиочастоты в энергию. Таким образом, в будущем микроэлектронику можно будет запитывать с помощью сигналов Wi-Fi.
В закладки
Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания.
Наука средневековья – весьма спорное и запутанное явление. Тем не менее, именно существование целого ряда схоластических теорий породило такое понятие, как научно-технический прогресс. До появления первых аккумуляторов пройдет еще более 2,5 тысяч лет, а пока в солнечной Греции дочь философа Фалеса безуспешно пытается очистить янтарное веретено от мелких частичек ворса, ниток и пыли. Как оказалось, смахнуть их не так-то просто.
Во время правления английской королевы Елизаветы I (1533 – 1603) ее лейб-медик Вильям Гильберт Колчестерский всерьез заинтересовался устройством компаса, магнитами, янтарем и прочими драгоценными камнями, которые после натирания мехом притягивали к себе мелкие частички пергамента. Становилось понятным, что несмотря на определенную схожесть, магнетизм и электричество (термин, введенный самим Гильбертом) имеют совершенно разную природу. Магнит способен притягивать исключительно железо, в то время как электричество, вызванное трением, способно к притяжению частичек неметалического происхождения.
Следующим шагом стало конструирование первой электрической батареи, принцип работы которой заключался в погружении медных и цинковых пластин, соединенных последовательно, в раствор кислоты. Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1798 годом, а его автором стал Аллесандро Вольта.
Пятьдесят медных кружков, смоченной в соленом растворе сукно и вольтов столб положили начало эры аккумуляторов с возможностью многократного цикла заряд-разряд. Появляется новая наука – электрохимия. Начатые в 1854 году немецким врачом Вильгельмом Зингстеденом опыты по использованию свинцовых электродов и их поведению в серной кислоте, спустя пять лет вылились в знаменательное открытие французского инженера Гастона Планте. В 1859 году Планте проводил исследования с листовым свинцом, свернутым в трубочку и разделенным полосами сукна. При погружении в подкисленную воду и под действием тока, свинцовые пластины покрывались активным действующим слоем. Многократное пропускание тока приводило к постепенному росту емкости первой свинцово-кислотной батареи, но рутинное осуществление этого трудоемкого процесса (на изготовление требовалось около 500 часов) приводило к росту конечной стоимости аккумулятора. Более того, потенциальный заряд аккумулятора был сравнительно невелик.
Наследие Зингстедена и Планте будет усовершенствовано через 23 года ученным Камиллом Фором, пересмотревшим процесс изготовления используемых в аккумуляторе пластин. Ускорить формирование активного слоя стало возможным благодаря покрытию пластин окислами свинца. Под действием тока вещество превращалось в перекись, а полученные окислы приобретали пористое строение, способствующее аккумулированию газов на электродах.
В течение длительного периода времени аккумуляторы, электрохимия и все, что было связано с использованием кислых сред, пластин и гальванического электричества будоражило умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение.
В 1896 году на территории США, в штате Колумбия открывается компания National Carbon Company (NCC). NCC становится первым предприятием специализацией которого становится серийное производство сухих элементов и батарей. В последующие сто лет Национальную Угольную компанию ждет две стадии ребрендинга: сперва NCC станет Eveready, а сегодня мы знаем ее под именем Energizer.
Предложенный Фором метод заполнения пластин в течение продолжительного времени будет являться основой для построения практически любого типа аккумулятора. В поисках альтернативы морально устаревшему (еще по меркам конца XIX века) свинцово-кислотному аккумулятору и попытках решить две основных проблемы этого некогда революционного источника питания (огромный размер и малоэффективная емкость), в 1901 году легендарный изобретатель Томас Эдисон и Вальдмар Юнгнер одновременно патентуют несвинцовый тип батарей: никель-кадмиевых и никель-железных.
Батарея Юнгнера состояла из положительной пластины, изготовленной из никеля. В качестве отрицательной использовался лист кадмия. Значительное повышение емкости, многократное снижение веса и неприхотливость к регулярности подзарядки не смогли выдержать практического применения в связи с дороговизной процесса изготовления никель-кадмиемых аккумуляторов. Достойной заменой стал предложенный Эдисоном никель-железный элемент, который получил имя щелочного аккумулятора.
Развитие эры электричества, появление мощных промышленных генераторов, трансформаторов и глобальная электрификация приводит к резкому росту популярности портативных элементов питания. Щелочные батареи начинают использовать в корабле- и машиностроении, в транспорте и на электростанциях. На улицах появляются первые электромобили, а конструкторы уже успели сформировать принципы построения аккумуляторных батарей с различным вольтажом.
Опыты с электричеством и попытки построения первых батарей нераздельно были связаны с использованием кислоты или кислой водной среды. Любая жидкость для успешного проведения эксперимента требует соответствующий сосуд, а сбор аккумулятора – свой собственный корпус.
В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева. Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменяют на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами.
Изобретение немецких ученых Шлехта и Аккермана и демонстрация в 1932 году процесса изготовления прессованных пластин для аккумуляторов не могло не повлиять на внешний вид батарей. В 1941 году в производство корпусов вмешивается австрийская компания Baren, проводившая серию экспериментов по разработке синтетических материалов. Через шесть лет француз Нойман предлагает конструкцию герметичного никель-кадмиевого аккумулятора. Параллельно с этим вся промышленность переходит на батареи с напряжением в 12 вольт, а синтетически полученный американской компанией Johnson Controls полипропилен становится основой для изготовления корпуса любых аккумуляторов. Они стали легче, практичнее, перестали бояться ударов и строгих ограничений при подзарядке.
Дальнейшее развитие индустрии аккумуляторных батарей движется настолько стремительно, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название: никель-цинковые, литий-титанатные, цинк-хлорные. Среди этого обилия в быту мы сталкиваемся лишь с несколькими.
В 1991 году компания Sony выпускает первый литий-ионный аккумулятор. Этот тип портативных батарей пришел на смену некогда широко использовавшимся никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлгидридным (Ni-MH), изобретенных еще в начале прошлого века.
Литий-ионные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: они заряжаются на порядок быстрее никелевых, имеют более продолжительный срок эксплуатации и большой запас емкости. Li-ion-аккумуляторы получили широкое распространение в сфере портативной электроники, а предложенные инженерами решения позволили не только значительно увеличить максимальные токи разряда, сделавшие возможным использование этого типа аккумуляторов и в среде мощного оборудования, но и обеспечить внушительный рост емкости.
Одним из главных двигателей прогресса всей индустрии аккумуляторов стали попытки построения электротранспорта в начале позапрошлого столетия. Не стоит забывать, что электромобиль создан значительно раньше двигателя внутреннего сгорания. Внушительные по размеру тяжеловесные свинцово-кислотные батареи продолжают обеспечивать работу троллейбусов, трамваев, электропогрузчиков и тягачей. Бытовые инструменты с никель-кадмиевых элементов постепенно переходят на литий-ионные и литий-полимерные.
Интересуетесь историей? Советуем почитать:
В закладки
Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания. Человечество никогда не стояло на месте. С древних времен наших предков интересовал целый спектр всевозможных физических и химических явлений. Ученые постоянно открывали что-то новое. Такое ноу-хау, как правило, сперва напрочь отрицалось наукой, затем о нем забывали, а спустя несколько десятилетий, уже забытого всеми.
Читайте также: