Мечта об энергии: какими могут быть аккумуляторы будущего
В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.
Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.
Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.
Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.
Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.
По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.
В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.
Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?
Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы
В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.
Зарядное устройство Bioo
Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.
Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.
Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками
В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.
Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.
Магниевые аккумуляторы
В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.
Твердотельные аккумуляторы
В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.
Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.
Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.
Топливные ячейки
Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.
Графеновые автомобильные аккумуляторы
Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.
Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.
Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера
Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.
Натрий-ионные аккумуляторы
Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.
Пенные аккумуляторы
Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.
Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости
Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.
Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки
В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.
Alfa battery — две недели на воде
Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.
Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу
Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.
Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.
Эластичные аккумуляторы
Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.
Мочевой аккумулятор
В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.
Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой
В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.
Органический аккумулятор, почти даром
В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.
Просто добавь песка
Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.
Быстрозаряжаемые и долгоживущие
В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.
Аккумуляторы с нанопорами
В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.
Генерирование электричества
Энергия кожи
Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.
uBeam — зарядка по воздуху
uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.
Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.
StoreDot
Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.
Прозрачная солнечная панель
В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.
Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.
Месяц без подзарядки: будущее аккумуляторных батарей
Не доживающие до конца рабочего дня смартфоны и разряжающиеся под ноль после трех-четырех часов игр планшеты, по правде говоря, надоели. Мощность процессора и качество дисплея растет опережающими темпами, тогда как аккумуляторные батареи кардинально не меняются вот уже десять лет. Тем не менее, кое-какие подвижки в развитии источников автономного питания для мобильных гаджетов все же наблюдаются..
Обновлено: Сбор на пикапы прекращен, но Mavik аэроразведчикам еще очень нужен
Можно выделить три ключевые проблемы, свойственные современным батареям для мобильных гаджетов. Первая – это дисбаланс между емкостью и габаритами литий-ионных аккумуляторов. Проще говоря, чтобы смартфон работал без подзарядки не один, а два дня, его приходится оснащать значительно более крупной и увесистой батареей.
Вторая проблема – довольно быстрый износ литий-ионных аккумуляторов. В теории они приходят в негодность спустя тысячу циклов заряда-разряда. На практике же из-за неправильных условий эксплуатации этот показатель обычно вдвое меньше. Правда, в случае смартфонов и планшетов быстрый износ не столь критичен, как для ноутбуков. Гонясь за модой, пользователи покупают новые мобильные гаджеты раньше, чем изнашиваются батареи старых.
И наконец, третья проблема – длительное время зарядки батарей. Тут получается палка о двух концах: зарядка аккумулятора мощным током происходит быстрее, но при этом он сильнее изнашивается. Тем не менее, ученым предстоит решить все три вышеупомянутые проблемы, а инженерам – в кратчайшие сроки поставить на конвейер источники автономного питания нового типа.
Энергетическая плотность батарей
Аккумуляторы прошлого поколения (никель-кадмиевые) обладали энергетической плотностью 40 Вт*ч/кг. Это означает, что мощность типичной 50-граммовой батареи составляла всего-то 2 Вт*ч. С переходом на литий-ионную технологию энергетическая плотность аккумуляторов выросла более чем в два раза – до 100 Вт*ч/кг.
Принцип работы аккумуляторных батарей, независимо от применяемой в них технологии, довольно схож: при зарядке электрическая энергия превращается в химическую, а во время разрядки – наоборот. Энергетическая плотность аккумулятора зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита.
В большинстве Li-ion-батарей электроды выполнены на основе литиевого соединения либо графита с ионами лития. Электролит же представляет собой безводную жидкость (вязкую массу) на основе литиевых солей. Но даже здесь наука еще не сказала своего последнего слова.
Замена жидкого электролита твердым
Новейшие разработки в области литий-ионных аккумуляторов принадлежат японской компании Toyota. Речь идет о Li-ion-батареях на основе твердого вещества: электроды сделаны из графита и оксидов лития и кобальта, а твердый электролит – из сульфидов. Подобные аккумуляторы обладают рекордной энергетической плотностью – до 245 Вт*ч/кг.
Батарея Toyota с твердым электролитом
В отличие от Li-ion-батарей с жидким электролитом, батареи Toyota не страдают от перегрева, зато боятся контакта с водой, в том числе влажным воздухом. Над решением данной проблемы инженерам Toyota еще предстоит поломать голову. Тем не менее, старт производства аккумуляторов высокой плотности для гибридных автомобилей Toyota запланирован на 2015 год. Когда же именно данная технология перекочует на мобильные гаджеты, пока можно лишь гадать.
Увеличение площади химической реакции
Ускорить процесс зарядки батарей, а заодно и немного повысить их энергетическую плотность, можно путем наращивания площади соприкасания электродов с электролитом. Ученые из Политехнического института Ренсселира предлагают покрывать электроды микроскопическими частицами кремния, так называемыми «наночашечками». Конусовидные «наночашечки» способны сжиматься и растягиваться, чтобы выдерживать механические нагрузки во время поглощения и высвобождения ионов лития.
Покрытый наночастицами кремния электрод батареи Политехнического института Ренсселира
Альтернативное решение для ускорение зарядки батарей – биологическое – предлагают исследователи из Мэрилендского университета. Они предлагают наносить на электроды трубчатые вирусы табачной мозаики (частого гостя в лабораториях по исследованию нанотехнологий) и для фиксации покрывать их тончайшим слоем металла. То есть вирусы участия в химической реакции не принимают, а лишь служат для создания микроскопического рельефа.
«Вирусная» аккумуляторная батарея Мэрилендского университета
Переломным моментом в технологии создания аккумуляторов может стать открытие ученых из Калифорнийского университета в Риверсайде. Они нашли природный пример дешевых наночастиц – зубы панцирных моллюсков, поросшие толстым слоем кристаллов магнетита (магнитного железняка).
Кристалл магнетита – самого твердого биоматериала на планете
Замена второго электрода «кислородным»
Компания IBM в сотрудничестве с Сент-Эндрюсским университетом Шотландии спроектировала ультрасовременный литий-кислородный аккумулятор. Один из электродов, как и электролит, у него самые что ни на есть обычные, а вот второй представляет собой пустотелую углеродную мембрану. Она-то и наполняется воздухом из окружающей среды, после чего кислород вступает в химическую реакцию с литием. Ожидается, что энергетическая плотность литий-кислородных батарей превысит в десять раз показатели традиционных Li-ion-решений. Жаль только, что задумка IBM еще очень далека до коммерческой реализации.
Литий-кислородная батарея IBM
Новые сочетания химических веществ
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) вовсе не являются новинкой и использовать их для некоторых задач выгоднее, чем литий-ионные. Имея сравнительно невысокую мощность, они заряжаются очень и очень быстро, что делает их подходящим решением, к примеру для авиамоделирования. Ученые из Массачусетского технологического института, подарившего миру немало открытий, создали литий-железо-фосфатную батарею, заряжающуюся всего за одну минуту. Уже полным ходом идут разговоры о том, чтобы начать применять LiFePO4-батареи еще и в мобильных гаджетах.
Литий-железо-фосфатная батарея
Меньше и тоньше
Увеличение энергетической плотности аккумуляторов, а также ускорение из зарядки, позволит создавать крохотные и, что не менее важно, утонченные батареи, например для носимых электронных гаджетов: умных наручных часов, очков дополненной реальности, а затем и аналогичных контактных линз.
Гибкая батарея из целлюлозы SoftBattery
Тончайшая реально существующая в данный момент батарея – дело рук инженеров из японского научно-исследовательского центра AMIC. Ее толщина составляет всего полмиллиметра. Находчивые японцы планируют размещать столь утонченные аккумуляторы на тыльной стороне солнечных батарей и дисплеев электронных книг.
Полумиллиметровая батарея AMIC
Выводы
По всей видимости, ждать двух- или даже трехкратного прироста емкости аккумуляторов для мобильных гаджетов осталось совсем не долго – лет пять. Тогда как столь желанный десятикратный прирост станет реальностью не раньше чем в 2020-х.
Правда, это не означает, что мобильные гаджеты будут работать дольше. Производители электроники вряд ли не поддадутся искушению сделать их еще тоньше. То есть энергетическая плотность батарей вырастет, но из-за существенного уменьшения размеров время автономной работы останется прежним. Как говорится, мода требует жертв.
Аккумуляторы для электромобилей: какими они будут в будущем?
Перевели для вас интересную публикацию о тенденциях в развитии батарей для электромобилей, которую сотрудники Бирмингемского университета старший преподаватель химии Симон Коттон и профессор химии материалов Питер Райманд Слэтер подготовили для издания The Conversation. Они в очень краткой и доступной форме объяснили, где мы находимся сейчас и над какими вариантами развития технологии работают ученые всего мира.
В большинстве электромобилей сегодня используются литий-ионные батареи, но у них есть ряд ограничений. Ученые и инженеры ищут решения, которые могли бы помочь ускорить переход автомобилей на электричество.
Литий-ионные батареи впервые были выведены на рынок компанией Sony в 1991 году и стали наиболее распространенными перезаряжаемыми батареями в транспортных средствах, а также в мобильных телефонах и ноутбуках. Они эффективны и имеют длительный срок службы — от 15 до 20 лет, что примерно в три раза больше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. Литий-ионные батареи накапливают больше энергии, а также намного легче, а это означает, что автомобиль, оснащенный такой батареей, потребляет меньше энергии для движения.
Батареи генерируют энергию, перемещая заряженные частицы, называемые ионами, вперед и назад между двумя электродами. Когда аккумулятор заряжен, ионы лития переходят от электрода из оксида металла к графитовому электроду. При разрадке для питания автомобиля, ионы лития уходят в другую сторону, заставляя электроны течь в подключенной электрической цепи.
Будущее аккумуляторов электромобилей
Чтобы удешевить литий-ионные батареи, ученые из Университета штата Пенсильвания в США изучают литий-железо-фосфатные батареи, в которых используются различные электродные элементы. Эта модель батареи намного дешевле и безопаснее, чем широко используемые литий-никель-марганцево-оксидно-оксидные батареи. Потенциально они смогут всего за 10 минут набирать достаточный заряд для обеспечения запаса хода автомобиля в 400 км.
Проблема увеличения запаса хода авто побуждает автопроизводителей разрабатывать батареи, в которых используется твердый компонент, разделяющий электроды, а не жидкий. Они более безопасны и могут обеспевичать запас хода более 500 км от одной зарядки.
Но у литиевых батарей есть проблема. Литий — относительно редкий элемент на Земле по сравнению с большинством обычных минералов. По мере роста спроса на аккумуляторы цена на литий резко вырастет. Это побудило геологов искать новые источники лития по всему миру. Но часто добыча на них оказывается довольно затратной. Например, добыча лития на солончаках в Чили требует большого количества воды, которой там не хватает. Кобальта также мало по сравнению с аналогичными металлами, такими как железо, а руды, из которых получают кобальт, сосредоточены в политически нестабильном регионе Конго в Африке.
Одним из решений может быть более эффективное использование того, что у нас уже есть. В 2017 году по всему миру было продано более миллиона электромобилей, и их число быстро растет. Ученые ищут решение по эффективной переработке лития в массовых масштабах. Есть мнение, что для этого могут использоваться бактерии.
В будущем будет важно разработать батареи, которые можно было бы легко разобрать, чтобы повторно использовать содержащиеся в них металлы. При этом не стоит забывать, что литий является очень реактивным металлом, что создает проблемы для работы с ним.
Потенциальные альтернативы литию существуют. Например, натрий — ионные аккумуляторы вызывают интерес у производителей электромобилей из-за их более низкой стоимости. Они работают так же, как литий-ионные батареи, но натрий тяжелее и хранит меньше энергии.
В более отдаленном будущем должны появиться мультивалентные батареи, в которых ион, который движется между электродами, имеет больший заряд, чем литий, и поэтому доставляет в цепь более одного электрона каждый. При разработке таких батарей ученые столкнулись с рядом серьезных проблем, но потенциально они могут обеспечить еще больший запас энергии.
Создание достаточного количества электромобилей по цене, дешевле, чем альтернативы, работающие на ископаемом топливе, является серьезной проблемой. Ученые, работающие в авангарде исследований аккумуляторов могут произвести революцию в развитии транспорта.
7 неприятностей, способных погубить аккумулятор
Выясняем, что влияет на срок службы автомобильного аккумулятора и пытаемся максимально продлить ему жизнь.
Аккумулятор — один из важнейших компонентов любого автомобиля, без которого нормальная эксплуатация машины попросту невозможна. В большинстве случаев батарею нельзя назвать «долгоиграющей» деталью — срок её службы редко доходит даже до пяти-семи лет, после чего устройство требует замены на новое. Но это лишь полбеды — неправильная эксплуатация и поломки различных систем способны вывести аккумулятор из строя за считанные часы. Выясняем, что влияет на срок службы бортового накопителя электрической энергии и пытаемся максимально продлить ему жизнь.
Прежде чем рассказать о наиболее частых неприятностях, убивающих аккумуляторную батарею, напомним, что главным фактором, влияющим на срок службы этого устройства, является время. Химические реакции, протекающие за стенками корпуса аккумулятора, приводят к естественному старению и саморазрушению, даже в том случае, если ваш автомобиль большую часть времени стоит на парковке и почти не используется. Именно поэтому самая лучшая батарея — новая батарея!
Помимо естественного старения аккумулятор в процессе эксплуатации подвергается многим другим испытаниям — многочисленным циклам зарядки-разрядки, воздействию низких и высоких температур, выкипанию электролита и изменению его плотности, процессам окисления клемм, а то и вовсе разрушению корпуса. Остановимся на каждой из проблем подробнее.
Халатность владельца
Наиболее часто автомобильные аккумуляторы преждевременно выходят из строя из-за халатного отношения к ним самого владельца. К примеру, приводит к этому оставленный запитанным мощный потребитель тока, о котором хозяин машины попросту забыл. Наиболее часто им становятся непогашенные фары головного света. Спустя несколько часов аккумулятор полностью разряжается, после чего в нём почти гарантированно происходят внутренние повреждения — необратимая сульфатация пластин. Сколько бы вы не заряжали такую батарею, она уже никогда не вернётся к прежней ёмкости, срок её жизни существенно сократится.
Утечки тока
К таким же последствиям приводят и систематические утечки тока в бортовой сети при незаведённом двигателе. Отметим, что после выключения мотора потребители продолжают забирать электричество из аккумулятора, пока полностью не заснут (обычно на это уходит до 20 минут). Электричество тратится, к примеру, на принудительное охлаждение силового агрегата вентилятором или на обеспечение работоспособности охранной системы (она запитана всегда) — опасности это не представляет. Однако нередко возникают и паразитные утечки вследствие поломок электронных компонентов, приводящие к сильному разряду батареи. Результат — всё тот же глубокий разряд.
Неполная зарядка
Недозаряд аккумулятора не менее вреден, чем глубокий разряд. Он может возникать из-за плохой работы генератора, нарушения электрических цепей (к примеру, из-за окисления клемм на батарее или генераторе), слишком большого энергопотребления, частой и длительной работы стартера. Помните, что после пуска мотора стартером батарея сильно «просаживается» — на её зарядку после этого уходит в среднем 30 минут. Неполной зарядке способствуют как частые короткие поездки, так и длительные простои автомобиля. Хотя бы раз в несколько месяцев не помешает полностью заряжать аккумулятор специальным зарядником для восстановления его ёмкости. Особенно опасен неполный заряд зимой — в сильные холода при низкой плотности электролита батарея может попросту замёрзнуть.
Чрезмерная зарядка
За напряжением в бортовой сети, а также процессом зарядки аккумулятора от штатного автомобильного генератора следит специальное электронное устройство — реле-регулятор. Он довольно часто выходит из строя, при этом водитель не замечает никаких признаков проблемы — напряжение, подаваемое на аккумулятор, может быть сильно завышенным. В результате электролит в батарее начинает кипеть и испаряться, а пластины оголяться. Плотность электролита возрастает. Всё это приводит к сульфатации электродов и выкрашиванию активной массы — ёмкость батареи существенно снижается, в электролите появляется мусор, часто возникает короткое замыкание в одной или нескольких банках.
Перегрев
Негативно сказывается на батарее и высокая температура. В жаркие летние месяцы устройство должно как можно лучше охлаждаться. При достижении электролитом отметки в +35 градусов по Цельсию электроды начинают изнашиваться значительно быстрее (течение химических реакций ускоряется), а при ещё большем нагреве ресурс аккумулятора падает в разы.
Замораживание батареи
Зимой особенно внимательно нужно относиться к уровню заряда и состоянию электролита. При сильном разряде плотность электролита падает и он начинает замерзать. В результате пластиковый корпус может попросту разорвать. Случается такое и после доливки в устройство дистиллированной воды при плохом её перемешивании с кислотой. В холодное время года не ленитесь время от времени самостоятельно подзаряжать аккумулятор.
Применение мощного пускача
При глубоком разряде аккумулятора, к примеру, после многократных безуспешных попыток запустить двигатель стартером, автомобилисты нередко прибегают к помощи мощных источников энергии. Обычно в этой роли выступают старые сварочные аппараты огромной мощности, не предназначенные для зарядки батареи слабым током. Это приводит к мгновенному вскипанию электролита и выделению большого объёма гремучей смеси — аккумулятор может взорваться. Даже если этого не случилось, не спешите радоваться — наверняка внутри корпуса произошло коробление электродов, разрушение сепараторов и осыпание активной массы.