Літій-іонні – це тільки початок. Погляньмо на майбутнє акумуляторів

На той час, коли полковник Брент Вілсон став командиром бази Кемп Сміт на острові Оаху, він брав участь у війнах в Перській затоці і Іраку і керував численними оборонними операціями в Косово. Але ворог, з яким він зіткнувся на гавайській базі, відрізнявся від тих, кого він бачив на полі бою як пілот вертольота морської піхоти. Йому довелося боротися із застарілою енергетичною інфраструктурою, яку регулярно розтоптувала тропічна погода.

“Вся електромережа регулярно виходила з ладу і виводила нас з ладу”, – пояснює Вілсон, який на той час також був частиною команди, відповідальної за оборонні операції в усьому Тихоокеанському регіоні. “Такого не можна допустити”.

Але в боротьбі проти поганої інфраструктури був ще один союзник, якого не використовували: Сонячне світло. Вілсон розпочав кампанію зі встановлення сонячних панелей і промислових батарей, які могли б підтримувати життєво важливі частини операції в режимі онлайн під час штормів. Цей досвід врешті-решт допоміг йому розпочати другу кар’єру: Продаж акумуляторів, достатньо великих, щоб живити ваш будинок від електромережі.

Акумуляторний бум

За даними Mordor Intelligence, за останні кілька десятиліть ринок акумуляторів різко зріс і, як очікується, збільшиться ще на 12% в найближчі п’ять років. До 2025 року це буде ринок вартістю 90 мільярдів доларів. За останнє десятиліття такі компанії, як Tesla, Dyson і Daimler, зробили мільярдні інвестиції в цю галузь, або придбавши менші компанії, або побудувавши нові заводи. Якби цю класичну сцену з фільму “Випускник” знімали сьогодні, то порада герою Дастіна Хоффмана щодо кар’єри була б не “пластмаси”, а “батареї”.

Що стимулюватиме це зростання? Зниження цін на літій-іонні акумулятори, персональна електроніка і електромобілі, які використовують їх, і, серед інших факторів, збільшення кількості домовласників і енергетичних компаній, які прагнуть зберігати сонячну і вітрову енергію.

Разом з цим зростанням зростає і кількість відходів. На жаль, більшість батарейок потрапляє на звалища. Показники переробки літій-іонних елементів жахливі: близько 5% для США і Європейського Союзу. Дослідники знаходять способи зробити літій-іонні батареї більш придатними для переробки, але навіть якщо це станеться, нам все одно потрібно змінити звички людей і корпорацій, які взагалі не переробляють батарейки, а утилізують їх, викидаючи у смітник.

Крім того, деякі експерти кажуть, що кількість літію обмежена, хоча наскільки – це питання дискусійне. Видобуток літію і кобальту (який зазвичай використовується для позитивного електроду літій-іонної батареї) пов’язаний з високими екологічними та людськими витратами. Крім того, ціна на кобальт значно зросла за останні кілька років.

У зв’язку з цим виникає питання: Чи існують дешевші, більш екологічно чисті батареї? Чи можемо ми використовувати щось краще? Що чекає на нас у майбутньому?

Багато людей досліджують ці можливості. З 1990-х років було подано понад 300 000 патентів, пов’язаних з акумуляторами (понад 30 000 тільки в 2017 році). Хоча великий відсоток цих винаходів пов’язаний з літій-іонними технологіями, багато роботи ведеться щодо твердотільних електролітів, анодів на основі кремнію, літій-повітря, графену та інших варіантів, деякі з яких є екологічно чистими, а інші – екологічно не кращі за літій-іонні, але, можливо, більш ефективні.

Хоча більшість з цих нових типів батарей, ймовірно, не будуть продаватися так само широко, як літій-іонні (принаймні, протягом наступних кількох десятиліть), вони можуть зайняти дійсно великі нішеві ринки. Ось деякі з найпопулярніших.

Літій-залізо-фосфат

Літій-сірчана батарея тримає телефон зарядженим 5 днів! [НОВИНИ НАУКИ]

Незабаром після того, як полковник Вілсон пішов у відставку з армії, керівники компанії з виробництва сонячних панелей попросили його зануритися в свої багаторічні знання в області зберігання енергії (військові є одними з найбільших у світі користувачів акумуляторів), відвідати виставку CES в Лас-Вегасі і вивчити поточний стан ринку домашніх акумуляторів. Після поїздки він створив гігантську електронну таблицю, щоб пояснити, чому він був незадоволений побаченими варіантами. Найкращі батареї були або завищені за ціною для середньостатистичного домовласника (понад 30 000 доларів США), або не мали достатньої потужності. Потім він працював з NeoVolta над створенням лінійки акумуляторів, які зазвичай коштують дуже низькі двозначні цифри.

Екологічно свідомі хіміки швидко скажуть вам, що літій-залізо-фосфатні накопичувачі енергії – це просто ще один тип літій-іонних акумуляторів, хоча і з деякими помітними перевагами: Він дешевший, має більш щільну енергію, довший термін служби і не загориться, якщо розірветься внутрішня частина (що може статися з літій-іонними батареями). Недоліки? Він надзвичайно важкий (саме тому краще, якщо він сидить на вашому задньому ганку, а не в телефоні), в корпусі все ще є літій, і шлях його переробки незрозумілий.

Тому мало хто використовує літій-залізо-фосфатні акумулятори, тому важко сказати, наскільки високий рівень їх переробки. Деякі дослідники стверджують, що їх легше розбити на складові частини.

Літій-сірка

Деякі експерти роблять ставку на літій-сірчані накопичувачі енергії для заміни літій-іонних, оскільки ці батареї, як правило, легші та більш енергоємні. Сірки також багато і вона дешевша.

У чому різниця між тим, як працюють літій-іонні та літій-сірчані батареї? Професор Лінда Назар, чия лабораторія в канадському Університеті Ватерлоо вивчає літій-сірчані батареї протягом останніх 10 років, використовує аналогію з автостоянкою, щоб описати відмінності. У той час як зарядка і розрядка літій-іонного акумулятора схожа на заїзд і виїзд автомобілів з гаража, літій-сірчана батарея “майже руйнує всю конструкцію гаража, а потім відновлює її, коли ви перезаряджаєте елемент”.

Натрій-іонні акумулятори: переваги над літій-іонними та характеристики

Хімічна реакція схожа на те, що відбувається в свинцево-кислотному акумуляторі, де відбувається повне структурне і хімічне перетворення. Ці “конверсійні” акумулятори мають свої переваги та виклики. “Вони мають перевагу в тому, що здатні зберігати більше електронів, – каже Назар. З іншого боку, сірка має відносно низьку провідність і об’єм батарей змінюється після розрядки. Команда лабораторії Університету Ватерлоо налаштовує компоненти в батареї, щоб збільшити термін служби та оптимізувати реакції батареї. Якщо деякі з проблем батареї будуть вирішені, Назар бачить її використання в авіації, а також у безпілотниках. Літаки та безпілотники Zephyr, які здійснили деякі з найдовших польотів на електротязі, часто покладаються на літій-сірчані батареї.

Натрій-іонні

Виявляється, елемент таблиці Менделєєва, який так шкідливий для серця, дуже добре підходить для акумуляторів. Дослідження натрій-іонних батарей почалися в 1970-х роках, приблизно в той же час, що і літій-іонних накопичувачів енергії. Ці два елементи є сусідами в періодичній таблиці. Потім літій-іонні акумулятори набули популярності, а натрій-іонні вважалися менш енергійними протягом наступних трьох десятиліть.

“Це виглядає як найкраща річ навколо”, – каже Назар, чия лабораторія також працює з накопичувачами енергії на основі натрію. “Натрій-іонні акумулятори дають можливість працювати з елементами, які є у великій кількості на землі – позитивними електродами, виготовленими з таких елементів, як залізо, марганець і титан – елементів, які є набагато дешевшими за вартістю. Але змусити цю хімію добре працювати – це складне завдання, тому що це зовсім не те ж саме, що літій”.

Біо-акумулятор SONY – генерує електроенергію з глюкози : DigInfo

Назар зазначає, що деякі компанії вважають, що не варто інвестувати в натрій-іонні батареї, оскільки вартість літій-іонних батарей постійно падає.

“Я думаю, що, напевно, варто інвестувати багато ресурсів в натрій-іонні акумулятори, – каже вона. “Якщо настане момент, коли натрій-іонні батареї будуть працювати дійсно добре, з високою щільністю енергії, це буде величезним кроком вперед”.

Цукор

Вірте чи ні, але ви можете запустити батарею на цукрі, як малюк, який підстрибує на пастилці для кейк-попсу. Компанія Sony вперше опублікувала дослідження про реакцію, в якій мальтодекстрин окислюється для створення енергії в 2007 році. Хоча матеріальна доступність і екологічність цукрових батарей набагато вища, ніж літій-іонних, напруга, створювана їх хімічною реакцією, помітно нижча. Тож, можливо, ви захочете почекати з годуванням своєї Тесли коробкою хрустких ягід.

Гігантські проточні батареї в майбутньому можуть живити ваше місто

Хоча оригінальна концепція вперше з’явилася в 2007 році, концепція цукрових батарей все ще має певні переваги. У 2016 році команда Массачусетського технологічного інституту на чолі з професором Майклом Страно створила пристрій під назвою Thermopower Wave, який набагато ефективніший за попередні втілення цукрових батарей і може живити комерційне світлодіодне світло. Це дуже цікава розробка, тому що цукру дуже багато, і якщо ми знайдемо життєздатний спосіб виробництва цих батарей, ми зможемо, ймовірно, швидко масштабувати цю технологію. На жаль, комерційна доступність, ймовірно, через кілька років.

Потік

Структурно проточні акумулятори відрізняються від більшості інших акумуляторів: Замість того, щоб упаковувати купу реактивних матеріалів разом в один блок (як це роблять звичайні батареї), проточні батареї зберігають реактивні рідини в окремих контейнерах, а потім закачують їх в систему для створення енергії. Вони також величезні і призначені для зберігання енергії в мережі, а не для електроніки та речей, які можуть зручно поміститися на долоні.

Як повідомляється, оригінальна проточна батарея важила 1000 фунтів і була винайдена наприкінці 19 століття для живлення французького дирижабля “Ла Франс” з дотепною назвою. З тих пір інтерес до модульних накопичувачів енергії то зростав, то згасав.

Дослідник використовує бактерії, папір для створення чистої енергії

“Я думаю, що насправді причиною вибуху та інтересу до проточних акумуляторів є не стільки створення наступного покоління акумуляторів для телефонів або комп’ютерів, скільки зберігання енергії в середніх і великих масштабах”, – пояснює Тімоті Кук, професор хімії в Університеті Буффало. Отже, якщо ви не будуєте мобільний телефон у стилі стімпанк, навряд чи ви будете носити з собою проточні батареї, що активуються за допомогою мікроскопічних насосів. Однак, оскільки все більше будинків встановлюють сонячні електростанції, ринок “персоналізованого зберігання енергії” буде зростати.

У той час як збільшення потужності літій-іонних батарей означає збільшення розміру батареї, конструкція проточних батарей дозволяє збільшити енергію за рахунок збільшення розміру резервуарів для рідини. Компанія San Diego Power and Electric нещодавно встановила таку, яка може забезпечити енергією 1000 будинків.

“Вам не потрібно змінювати жодних розмірів мембрани [де відбувається хімічна реакція], вам просто потрібно пропустити через неї більший об’єм рідини протягом більш тривалого часу, і ви зможете витягти цю енергію”, – пояснює Кук. “Таким чином, набагато легше збільшити або зменшити масштаб, або ви можете в основному налаштувати його відповідно до установки”.

Проточні батареї також мають набагато більше циклів заряджання, ніж більшість акумуляторів. Можливість заміни рідини або заміни інших модульних частин означає, що потенційний термін служби батареї практично необмежений.

Незважаючи на те, що в даний час компанії продають проточні батареї промислового розміру, професор Кук не очікує їх широкого розповсюдження протягом наступних п’яти – 10 років. Він навіть уявляє собі день, коли електромобілі зможуть використовувати цю технологію. Кук описує автомобіль, який під’їжджає до “заправки”, зливає відпрацьований електроліт, а потім заправляється свіжозарядженим. Замість того, щоб чекати півгодини, поки автомобіль перезавантажиться, колеса можуть знову крутитися за лічені хвилини. Але, звісно, до такого майбутнього ще далеко.

Папір

Виготовлення батареї з паперу має багато переваг: Він тонкий, гнучкий і, якщо виготовлений з правильних матеріалів, біологічно розкладається. Команда Стенфордського університету розробила перші паперові батареї, покривши тонкі аркуші чорнилом, насиченим вуглецем і сріблом. Зовсім недавно екологи зацікавились батареями, що розробляються в Бінгемтонському університеті. Професор Сохен “Шон” Чой створив кілька різних варіантів, в тому числі один, що працює від слини, а інший – від бактерій. Нещодавнє втілення біобатареї, розроблене Чоєм і професором Омовунмі Садіком, використовує полі(амінову) кислоту і полі(піромелієвий діангідрид-п-фенілендіамін) для того, щоб зробити джерела енергії біологічно розкладними.

“Наша гібридна паперова батарея продемонструвала набагато більш високе співвідношення потужності до вартості, ніж всі раніше відомі мікробні батареї на основі паперу”, – сказав Чой, коли було оголошено про інновацію. Хоча комерційне використання цих екологічно чистих паперових батарей обмежене з огляду на їхню низьку електричну потужність (одна батарея може живити світлодіодну лампу близько 20 хвилин), дослідники сподіваються, що вони знайдуть застосування в електроніці, бездротових пристроях, медичному обладнанні, наприклад, кардіостимуляторах, літаках і автомобілях. Чой написав статтю про використання їх як одноразових джерел живлення для діагностичних приладів у місцях надання медичної допомоги в країнах, що розвиваються, де батарейки можуть бути недоступними.

Повітря

Повітря насправді може бути електричним, і не тільки в той момент, коли ви піднімаєте комір після того, як з динаміків вашого Ferrari лунає мелодія Філа Коллінза. Цинково-повітряні батареї, які розміром з цукерку “Сматтіс” і працюють за рахунок реакції між киснем і цинком, використовуються в слухових апаратах протягом багатьох років. Цинк також є дешевим і поширеним, що робить технологію економічною та екологічно чистою.

Хімія акумулятора: Літій v Натрій v Залізо

Але існують обмеження при спробі зробити цю технологію перезаряджається. Під час заряджання можуть утворюватися кристали дендритів, які замикають батарею. Були випробувані способи заміни цинку, такі як “механічна перезарядка” батареї шляхом фізичної заміни матеріалів, підхід, який був випробуваний в сінгапурських електричних автобусах. Численні інші експерименти були проведені з літій-повітряними і метало-повітряними батареями з різним ступенем щільності енергії, рівнем потужності і вартістю. За останнє десятиліття компанія Tesla подала кілька патентів, пов’язаних із зарядкою літій-повітряних батарей, тому їх потенціал може існувати далеко за межами ваших слухових апаратів.

Залізо

Кілька років тому професор хімії Університету Айдахо Пітер Аллен почав висловлювати своє захоплення наукою про акумулятори на YouTube. Майже відразу він виявив, що глядачі дійсно реагують на матеріали про акумулятори, що надихнуло його на створення залізної акумуляторної батареї в якості освітньої демонстрації. В результаті цього проекту було створено понад 100 демонстраційних відеороликів, які пояснюють кроки, проблеми і уроки освітнього проекту з акумуляторів.

“Я не хочу позиціонувати себе як експерта з акумуляторів, як такого”, – визнає професор, який спеціалізується на біологічній хімії. Під час роботи над відеороликами на YouTube він зрозумів, що можна багато чому навчитися, створивши відносно дешеву батарею, яку можна зробити своїми руками.

“Частини технології виробництва залізних батарей існують вже 100 років, тому я думаю, що багато людей, які можуть прийти в цю сферу з великою кількістю іноземних знань, просто скажуть: “Ну, це протоптана доріжка – тут нічого не знайдеш”, – говорить він. Але, будучи трохи наївним, я зайшов і сказав: “Ну, давайте спробуємо, все одно можна знайти щось цікаве”.

Після двох років, більш ніж 30 варіантів батарей і великої допомоги студентів старших курсів, Аллен навчився збалансовувати рідкі та тверді матеріали для створення оптимальної щільності енергії, але при цьому з низькою потужністю.

“Потім ми зайнялися цим питанням: “Якщо у вас є хімія, яка працює, але працює повільно, як її прискорити?”

Навіть якщо команда вирішить цю проблему, сучасні технології диктують, що найкращим застосуванням для залізної батареї, швидше за все, буде сусідня мікромережа для зберігання енергії або сонячна електростанція, враховуючи необхідний простір і швидкість енергії, що відправляється з пристрою.

Хто виграє?

Чи буде залізна батарея Аллена коли-небудь комерційно життєздатною? Він не впевнений, що поточні результати його команди, які були опубліковані в науковому журналі, допоможуть їм це зробити.

Проаналізувавши численні винаходи батарей, він розуміє, що лише деякі з них дійсно вийдуть на ринок. У наукових дослідженнях, за його словами, існує “долина смерті”.

“У вас є фундаментальні дослідження, які призводять до чогось дійсно крутого, – каже він. “Виникає питання, чи можна це комерціалізувати. І немає грошей, щоб поставити це питання”. Дослідники, які знаходять достатньо грошей, щоб відповісти на це початкове питання, потім, якщо їм пощастить, знайдуть інвесторів, які захочуть вдосконалити і комерціалізувати цю ідею. “Але існує розрив між фундаментальними дослідженнями і необхідним доопрацюванням, щоб зробити батарею комерційною”.

У 2019 році венчурні капіталісти вклали 1,7 мільярда доларів в стартапи, пов’язані з акумуляторними батареями, причому 1,4 мільярда з них пішли на дослідження, пов’язані з літій-іонними батареями. Але проточні батареї, цинк-повітря, рідкий метал та багато інших технологій також отримали чеки. Хоча літій-іонні накопичувачі енергії, ймовірно, будуть домінувати в накопичувачах енергії ще принаймні 10 років, багато інших технологій вже виглядають так, ніби вони прокладуть собі шлях з долини смерті.

Рекомендації редакції

• Аналоговий штучний інтелект? Звучить божевільно, але за цим може бути майбутнє
• Каліфорнія має проблему з відключенням електроенергії. Чи можуть гігантські проточні батареї стати рішенням?
• Приборкання темряви: Перегони за вирішенням найбільшої проблеми сонячної енергетики
• Нова батарея IBM може перевершити літій-іонні, і вона не використовує конфліктні мінерали
• Стартап чистої енергії за підтримки Білла Гейтса сподівається замінити викопне паливо

Source: digitaltrends.com