Слабые аккумуляторы - ахиллесова пята современных технологий. У нас уже есть потрясающие роботы, дроны, бионические протезы и функциональные искусственные конечности. И все это упирается в питание. Роботы и дроны становятся куда менее впечатляющими, когда вспоминаешь о необходимости их подзарядки через каждый час работы.
Решить эту проблему можно двумя путями. Первый - создать очень маленький и высокотехнологичный генератор, который мог бы сам производить много энергии, перемещаясь в устройств еразмером со смарфтон. К такой фантастической технологии человечество не подобралось даже близко. Второй путь - создать аккумулятор, который все равно нужно будет подзаряжать, но которого будет хватать на более долгий срок. Над этим ученые работают прямо сейчас. В целом, 2020 год оказался очень богатым на интересные свежие идеи в области хранения энергии. Рассмотрим самые многообещающие из них.
Новые металлы
Когда дело доходит до повышения емкости аккумуляторов путем ввода новых материалов, имеется много вариантов, но лучшим является литий. Литий-металлические аккумуляторы используют в качестве анода литий вместо графита и меди. Это значительно повышает плотность батарей, позволяя им работать дольше и накапливать гораздо больше энергии.
Но есть и проблема. Когда батарея заряжена, на поверхности металлического литиевого анода начинают образовываться наросты, известные как дендриты. Слишком разросшиеся дендриты могут вызывать замыкания, самовозгорания аккумулятора, либо просто приводить его в неработоспособность.
В 2020 году мы увидели несколько инновационных подходов к решению этой проблемы. Ученые Университета штата Вашингтон, догадались добавлять несколько ключевых химических веществ к катоду и раствору электролита. Это привело к образованию защитного слоя на поверхности металлического литиевого анода, что позволило ему оставаться стабильным в течение 500 циклов. Это крайне важное открытие, которое открывает путь к широкому коммерческому использованию безопасных литий-металлических аккумуляторов.
Твердотельные батареи без дендритов
В декабре калифорнийский производитель батарей QuantumScape объявил, что добился потрясающей производительности от своего твердотельного литий-металлического аккумулятора, предназначенного для использования в электромобилях.
Разработчики утверждают, что благодаря использованию твердого электролита и металлического литиевого анода они могут заряжать большой аккумулятор на 80% всего за 15 минут. Также твердотельная конструкция полностью решает проблему дендритов, о которой мы писали выше. Между анодом и катодом располагается разделитель из твердого керамического материала, так что замыкание исключено конструктивно.
Новые батареи имеют плотность энергии около 1 кВт·ч на литр объема, что примерно в 4 раза больше плотности аккумуляторов, используемых сегодня в электромобилях Tesla.
Плотность в пересчете на вес также оказывается более выгодной. Твердотельная батарея весом в 1 килограмм может вмещать от 380 до 500 Вт·ч энергии, в то время как аккумулятор Tesla аналогичного веса вмещает лишь 260 Вт·ч.
Наконец, твердотельная батарея очень долговечна. Она сохраняет до 80% своей емкости после 800 циклов заряда-разряда. Это - очень высокий показатель.
Ультразвуковая “колотилка”
В феврале ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего представили интересный способ, позволяющий предотвратить рост дендритов в литий-металлических батареях.
Они создали крошечное ультразвуковое устройство, которое размещается внутри батареи и посылает высокочастотные звуковые волны через жидкий электролит. Электролит постоянно находится в движении и течет внутри батареи. В результате литий равномерно распределяется на аноде, а длинные дендриты просто не нарастают. Ультразвуковое “взбалтывание” позволяет продлить жизнь аккумулятору, а также открывает доступ к его быстрой зарядке. Тесты показали, что “ультразвуковая” батарея может быть заряжена от нуля до 100% всего за 10 минут и сохраняет стабильность в течение 250 циклов.
Быстрая зарядка
И еще один пример улучшения литий-металлических батарей. Ученые из Техасского университета A&M показали устройство, которое включает в себя крошечные каркасы из углеродных нанотрубок в качестве анода. Они покрыты молекулами, которые заставляют ионы лития связываться с поверхностью, помогая избежать образования дендритов на поверхности.
В качестве бонуса такая архитектура батареи оказалась способной производить и потреблять очень большие токи, примерно в пять раз больше того, что способна выдержать обычная батарея. Это позволяет производить зарядку устройства очень быстро.
Кремниевые добавки
Литий - не единственная опция. Еще одним перспективным вариантом является кремний. Он позволяет хранить в четыре раза больше ионов лития, чем графит и медь, но емкость кремниевых аккумуляторов очень быстро снижается по мере использования.
В июне ученые Корейского научно-технического института представили потенциальное решение этой проблемы. Они использовали методику, называемую “предварительной загрузкой лития”, чтобы улучшить долговечность устройства. Методика предполагает погружение кремниевого анода в специальную смесь которая заставляет электроны и ионы лития просачиваться в электрод, чтобы компенсировать потери, которые происходят во время цикла.
В то время как большинство анодов на основе кремния теряют более 20% ионов лития во время начального цикла зарядки, этот усовершенствованный анод потерял менее 1%. Также плотность энергии такого аккумулятора оказалась на 25% выше, чем у его аналогов.
Микроволны и соль
Еще один интересный вариант батарей предполагает отказ от лития в пользу натрия. Это довольно редкий металл, добыча которого может дорогой и вредной для окружающей среды. С другой стороны, обычную поваренную соль (хлорид натрия), можно найти повсюду. Это изобилие можно использовать для создания дешевых батарей для применения там, где размер и вес не имеют принципиального значения.
В апреле ученые Университета Пердью показали, как такие батареи можно изготавливать практически из мусора. Исследователи начали с переработки пластиковых бутылок. Они измельчили ПЭТ-пластик до состояния микрохлопьев, которые затем были в течение 120 секунд обработаны микроволновым облучением. В результате хлопья спеклись в подобие “цветков” со множеством лепестков. Такая форма ПЭТ называется динатрийтерефталатом, и из нее удобно делать аноды батарей благодаря ее превосходным электрохимическим характеристикам. В ходе тестов команда продемонстрировала, как из динатрийтерефталата делается компонент рабочей натрий-ионной батареи.
Вдохновение из моря
Еще один альтернативный дизайн батарей называется “аккумулятором окислительно-восстановительного потока”. Вместо накопления энергии внутри самой батареи, эти устройства удерживают энергию в жидких электролитах в огромных внешних резервуарах. Это означает, что потенциал накопления может быть легко увеличен за счет увеличения размеров резервуаров.
В июне исследовательская группа Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировала, как ключевой компонент таких батарей может быть изготовлен из природных материалов. Одним из таких материалов стал хитин - природный полисахарид, обильно встречающийся в панцирях насекомых и ракообразных. Исследователи объединили хитин с войлоком и использовали в производстве электродов для батареи окислительно-восстановительного потока с превосходной плотностью мощности.
“Польза разработки заключается не только в хорошей производительности, но и в низкой стоимости исходного материала, что делает электроды более устойчивыми, учитывая повторное использование отходов”, - говорит Франсиско Мартин-Мартинес, старший автор исследования.
Помощь гравитации
Еще одно отличное решение для хранения больших объемов энергии, получаемой из возобновляемых источников, заключается в использовании силы тяжести.
Шотландская компания Gravitricity создает систему хранения энергии, состоящую из массивных каменных блоков, мощных лебедок и тросов, которые удерживают блоки на высоте. Когда вырабатывается излишек энергии, электродвигатели поднимают грузы вверх. Когда требуется высвободить энергию, груз опускается вниз под воздействием силы тяжести, проворачивая вал, который вырабатывает электричество.
Это недорогое, долговечное и надежное решение. Gravitricity планирует построить прототип системы в Эдинбурге уже к концу 2021 года.
Использование графена
В июне Университета Брауна использовали графен для создания еще одного примера прочной и долговечной твердотельной батареи. Добавление небольшого количества графена к керамическим материалам внутри батареи позволило создать твердый электролит, который оказался самым жестким из когда-либо созданных.
Интересно, что графен является очень отличным электропроводником. Это свойство нежелательно для электролита батареи, поскольку он должен проводить ионы, а не электроны. Но тесты показали, что если сохранять концентрацию графена достаточно низкой, можно добиться баланса, при котором электроны еще не проходят через твердый электролит, но он уже становится достаточно прочным.
Быстрые электроды
Все батареи содержат пару электродов, катод и анод, через которые протекает электрический ток. Обычно, это беспорядочные структуры, которые требуют, чтобы ионы, несущие заряд, перемещались по запутанному “лабиринту” на пути внутрь и наружу. Производитель ультраконденсаторов Nawa в октябре представила собственную, более простую версию электрода.
Новый электрод состоит из структуры, напоминающей щетку для волос, с сотней миллиардов высокопроводящих углеродных нанотрубок, расположенных вертикально и покрытых активными материалами. Это создает “скоростную магистраль” для ионов, позволяя им перемещаться в батарею и покидать ее гораздо быстрее.
Компания заявляет, что ее молниеносные электроды могут увеличить скорость заряда и разряда батареи в десять раз. То есть, аккумулятор можно будет зарядить с нуля до 80% всего за пять минут. Плотность энергии при этом может повыситься в два-три раза.
Хотя описание электрода звучит довольно сложно, Nawa утверждает, что процесс производства таких электродов очень дешев. Разработчики уверены, что продукт будет конкурентоспособен, и планируют начать выпускать аккумуляторы с “быстрыми электродами” уже в 2022 году.
Если хотите получать новости через мессенджер, подписывайтесь на Telegram-канал iGate
