Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

1

1

Международный коллектив ученых объявил о создании первого в мире комбинированного аккумулятора

В конце сентября международный коллектив ученых под руководством ученого Даррена Хана и с участием инженеров LG рассказал о создании первого комбинированного аккумулятора для автомобилей на электрической тяге. Подобная батарея является твердотельной и построена на базе анода из чистого кремния. По сравнению с аналогами новый аккумулятор является более энергоемким и безопасным и, кажется, превосходит все конкурентные образцы. «Лента.ру» объясняет, почему все автопроизводители не могут перейти на твердотельные батареи и какие перспективы есть у нового комбинированного аккумулятора.

2

2

Несовершенство литий-ионных батарей давно волновало инженеров

Используемые в современных электрокарах батареи неидеальны. Как правило, автопроизводители используют литий-ионные зарядные элементы. Несмотря на то что аккумуляторы позволяют хранить энергию длительное время и обеспечивать машины запасом хода на полтысячи миль, проблем с ними слишком много. Во-первых, батареи быстро изнашиваются. Во-вторых, они очень капризны: требовательны к температуре эксплуатации и не переносят постоянных или сильных вибраций. Именно поэтому при ДТП электрокар может загореться, а на тушение и локализацию возгорания может уйти несколько часов.

Также почти все батареи — начиная от элементов в пультах к телевизорам и заканчивая фабричными аккумуляторами — состоят из кобальта. Зависимость индустрии от этого материала крайне высока, так как 60 процентов всего кобальта добывают в Демократической Республике Конго.
В теории твердотельные батареи как минимум практичнее и безопаснее. Их конструкция предполагает использование минимума материалов. По словам ученых, чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.

3

3

Батареи с кремниевыми анодами тоже неидеальны

Использование кремниевого анода в батареях позитивно описывается Дарреном Ханом и его коллегами. Впервые данную наработку описали в 2002 году. Спустя почти 13 лет основатель Tesla Илон Маск заявил, что применение кремния в аккумуляторах его электрокаров увеличивает запас хода примерно на шесть процентов. Батареи на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, чем другие, — примерно 3600 миллиампер-часов на грамм материала.

Однако в заряженном состоянии данный тип анода в больших долях является крайне неустойчивым, а следовательно, опасным для применения. При длительном контакте с жидким электролитом кремний плохо держит энергию, что оборачивается значительной потерей мощности электрического двигателя. Поэтому современные аккумуляторы состоят из кремния лишь частично. В этой связи аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что весьма незначительно влияет на производительность. Например, на рынке существуют аккумуляторы, созданные на базе композитного электрода с кремниевой нанопроволокой. Информация о содержании этого материала в батареях производителей обычно не раскрывается, но можно считать, что доля кремния в них не превышает десяти процентов.

4

4

Преимущество кремния

Учитывая все недостатки батарей на базе классического электролита и кремния, ученые решили синтезировать материал с твердым электролитом на основе сульфида. Использование твердой структуры решило проблему насыщения анодов жидким электролитом во время работы. По словам Хана, отсутствие углерода в аноде значительно снижает межфазный контакт, что приводит к нежелательным побочным реакциям с твердым электролитом.
Сравнительные тесты показали, что кремниевые аноды имеют в десять раз большую плотность энергии, чем графитовые. Пока что новое изобретение удалось воссоздать лишь в лабораторных условиях, но характеристики новой батареи удовлетворяют специалистов. Аккумулятор-прототип сохранил 80 процентов емкости после 500 циклов зарядки, удельная емкость энергии на грамм кремния составила около 2890 миллиампер-часов. Батарея оказалась стабильна и безопасна, что в будущем наверняка позволит использовать ее несколько десятков лет. По словам ученых, аккумуляторы нового типа смогут пережить сам автомобиль.

5

5

Чего ждать в будущем?

«Принцип твердотельного кремния преодолевает многие ограничения обычных батарей», — говорится в отчете изобретателей. Ученые считают, что созданные по комбинированному принципу аккумуляторы удовлетворят рыночный спрос на безопасные батареи с более высокой емкостью при более низких затратах. Ноу-хау можно использовать при создании как электрокаров, так и стационарных энергохранилищ.
Как было замечено, удачный прототип батареи пока был создан в лабораторных условиях и тестировался при комнатной температуре. Комфортная для аккумулятора работа происходит при температуре около 140 градусов по Фаренгейту (порядка 60 градусов по Цельсию). Даррен Хан признает, что от прототипа до первого коммерческого образца могут пройти годы, и соглашается со скептиками, что его коллегам предстоит много работы. Однако ученый уже зарегистрировал бренд Unigrid battery, под которым надеется выйти на рынок твердотельных аккумуляторов нового поколения.

О «кремниевой революции» все чаще говорят и крупные игроки на рынке электромобилей. Например, в 2020 году представители Tesla обнадежили потребителей и рынок, что планируют удвоить содержание кремния в батареях своих автомобилей.

Андрей Ставицкий

какими будут аккумуляторы Tesla через пять-десять лет

Как уже известно, в ближайшие год-полтора Tesla не собирается вносить значительных изменений в конструкцию и методы производства аккумуляторов. Но у компании есть более отдалённые планы на одно и другое. Планы эти пока не слишком конкретные, и очевидно, реализовываться они будут небыстро. Тем не менее, упоминания они явно заслуживают.

Начнём с более-менее определённого.  Итак, Tesla представила новый формфактор литиевой «банки» под номером 4680. Внешний диаметр ячейки 46 мм, её высота — 80 мм. Это шаг вперёд по сравнению с ячейкой 21700 (21 × 70 мм). За счёт увеличения объёма примерно в 5,5 раз «располневшая» ячейка способна накапливать в пять раз больше энергии.

Мощность ячейки увеличена в шесть раз, что обусловлено не только возросшей ёмкостью, но и новой конструкцией проводника, соединяющего катод батареи с контактом на её корпусе. За счёт перехода от длинной и тонкой полоски-проводника к короткому и толстому проводнику-вкладышу внутреннее сопротивление проводника снизилось, а величины допустимых токов возросли и, следовательно, увеличилась мощность батареи без риска перегрева.

Как заявил Маск, батарея 4680 уже выпускается в небольших объёмах на опытной линии в США. Это не концепт и не компьютерная графика. Если проблем не возникнет, к концу следующего года производство аккумулятора 4680 на новом заводе компании во Фримонте, штат Калифорния, выйдет на уровень годовой мощности 10 ГВт·ч. Следовательно, в течение 2022 года суммарная ёмкость выпущенных аккумуляторов 4680 должна будет выйти на указанную величину. Это более чем в три раза меньше, чем сегодня выпускает завод Tesla (Гигафабрика в США). Например, с позиции выпуска ячеек проектная мощность завода в Неваде в 2020 году должна составить 35 ГВт·ч в год. Поэтому полномасштабное производство ячеек 4680 Маск рассчитывает увидеть только через три года — в 2023 году. И ключевое слово здесь — рассчитывает.

За счёт увеличения формфактора элемент 4680 позволит собирать батарейные блоки, которые увеличат пробег электромобиля на полном заряде на 16 % по сравнению с блоками из элементов 21700. По сути, улучшение будет достигнуто за счёт того, что в батарейном блоке аккумуляторы займут больше пространства. Тем самым снизится стоимость хранения каждого КВт·ч. По расчётам — на 14 %. Дополнительно в Tesla считают, что благодаря увеличенному формфактору инвестиции в строительство новых батарейных заводов снизятся на 7 % в пересчёте на каждый ГВт·ч.

Итак, увеличение формфактора ячейки — это первый и, несмотря на сопутствующие новой организации производства трудности, относительно простой шаг.

Следующим новшеством при производстве аккумуляторов (4680 или в другом формфакторе) обещают стать принципиально новые промышленные линии. Производить аккумуляторы Tesla собирается подобно выпуску бумаги рулонным методом или как разливают напитки на соответствующих линиях — быстро-быстро и даже быстрее. Принципиально новые линии должны ускорить выпуск аккумуляторных блоков от производства ячеек до готовых блоков в семь раз. На дальность пробега это не повлияет, но себестоимость хранения каждого КВт·ч в батарейном блоке электромобиля обещает снизиться ещё на 18 %. Также это может снизить инвестиции в новые заводы для выпуска батарей до 34 % (в пересчёте на каждый ГВт·ч). Каждая новая линия сможет выпускать за год ячеек на 20 ГВт·ч.

Новые линии будут включать в себя четыре главных участка: изготовление электродов (анодов и катодов) рулонным методом, намотка электродов и разделительной мембраны в рулоны для помещения каждого в ячейку, сборка ячеек и изготовление батарейных блоков. Из всего этого самым слабым звеном с точки зрения дальнейшего прогресса Tesla считает этап изготовления электродов. Сегодня для этого материал электродов дробится до состояния порошка и растворяется либо в воде, либо в своём растворителе. После нанесения раствора на подложку электроды долго сушатся в гигантских электропечах и затем после сушки проходят финальную обработку (прессовку). Для компании выгодным стал бы «сухой» процесс изготовления анодов и катодов, чтобы сэкономить время, ресурсы и, в конечном итоге, деньги.

«Сухой» процесс нанесения вещества электродов на рулонную подложку разработала компания Maxwell Technologies, которую Tesla купила больше года назад. Этот процесс хорошо показал себя в лабораторных условиях и со временем обещает воплотиться в производственном оборудовании компании. Маск не сказал, когда это произойдёт. Поскольку выпуском производственного оборудования занимаются сторонние компании, а сырьё поставляют ещё одни, то новшество вряд ли станет коммерческим решением в ближайшую пятилетку. Но если это будет воплощено в производстве, то стоимость производства аккумуляторов снизится самым ощутимым образом.

Следующим новшеством должен стать переход на другой материал для анода ячейки. Сегодня для этого массово используется графит. Маск предлагает вместо графита использовать металлургический кремний — это кремний с присутствием ощутимого объёма посторонних примесей. Но этот материал крайне дёшев и его запасы на Земле неисчерпаемы. Кроме того, кремний способен вобрать в себя в девять раз больше ионов лития, чем графит, а это — путь к наращиванию ёмкостей батарей. Проблемой было «разбухание» и разрушение кремния по мере поглощения ионов лития, но исследователи Tesla решили эту проблему. Так, кремний измельчается и пропитывается эластичным полимером, что придаёт ему неразрушающуюся структуру.

Переход на новые аноды также произойдёт весьма и весьма нескоро, так как он определённо зависит от производителей оборудования и поставщиков сырья. Но если это случится, то ёмкость обновлённых аккумуляторов может дополнительно вырасти, что увеличит пробег ещё на 20 %, а стоимость хранения одного КВт·ч уменьшит на 5 %. Новые аноды также обещают снизить инвестиции в производство одного ГВт·ч на 4 %.

Когда-нибудь появятся в будущих аккумуляторах Tesla и новые катоды. Более того, компания собирается производить ячейки с тремя разными катодами для разных сфер применения, что позволит быстрее снижать цену на массовою продукцию. Например, для массовых электромобилей, цена которых через пять-десять лет должна снизиться до $25 000, катоды элементов будут создаваться на основе железа, что даст им увеличенный срок жизни. Для электромобилей премиального класса будут выпускаться ячейки с катодом на основе кобальта и марганца, а это — увеличенная ёмкость и дальность пробега. А для пикапа и грузовика компания предложит ячейки с катодами из никеля — это большая отдача (мощность) и увеличенная ёмкость, что также можно будет конвертировать в больший пробег.

Для производства катодов Tesla построит свой завод, поставки никеля для которого она собирается частично обеспечить сама. Для этого в четвёртом квартале этого года компания запустит пилотную линию для отработки процессов переработки старых аккумуляторов. Из таких батарей компания планирует заодно извлекать литий и кобальт. Наконец, Tesla займётся добычей лития в Неваде с запуском переработки на своих площадках, которые тоже предстоит построить. Комплекс задач не на одну пятилетку. Если она всё воплотит в жизнь, то сможет увеличить дальность пробега на одном заряде ещё на 4 %. Стоимость хранения одного КВт·ч уменьшится на 12 %, а инвестиции в производство снизятся на 16 %.

Завершающим штрихом станет полная интеграция аккумуляторов в состав электромобиля. Как сегодня топливные баки стали естественным элементом крыльев самолётов, так со временем батареи Tesla станут неотъемлемыми элементами будущих электромобилей Tesla. Они будут одним целым с машиной, что удешевит конструкцию и стоимость владения машиной и батареей. Tesla явно не собирается идти по пути китайцев, и не будет делать упор на станции по быстрой замене батарей. Похоже, будущий «народный» автомобиль Tesla проще будет заменить на новый целиком, чем заказывать замену тяговых аккумуляторов.

И всё же, интеграция батарей в конструкцию электромобиля добавит к дальности хода ещё 14 %, снизит стоимость хранения одного КВт·ч на 7 % и уменьшит инвестиции в производство ячеек ёмкостью в один ГВт·ч на 8 %. В сумме все представленные выше шаги позволят на 54 % увеличить пробег электромобилей, снизят стоимость хранения одного ГВт·ч на 56 % и уменьшат инвестиции в производство одного ГВт·ч батарей на 69 %. Однако на реализацию этих планов уйдёт время как минимум до конца текущего десятилетия. Многие в них к тому же может поменяться, но верить в хорошее хочется всегда.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Что происходит на рынке сохранения энергии

Аккумуляторы принципиально важны для будущего электромобилей и энергетики в целом. РБК Тренды разбирались, как работает отрасль и в чем ее главная проблема

В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.

Типы энергетических систем

Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:

• Электрооборудование

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Плотина Братской ГЭС (Фото: wikipedia.org)

Накопители сжатого воздуха (Фото: electricalschool.info)

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем (Фото: Affiliated Engineers)

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые литий-ионные батарейки Sony (Фото: Sony)

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

Читайте также: Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

• Высокая пожароопасность

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Возгорание смартфона Samsung Galaxy Note 7

• Чувствительность к температурам

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Батареи Solid Energy (Фото: nikkei.com)

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Кроме того, крупные компании больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов, которые отвечают потребностям их продукции. Lux Research сообщала, что вложила в исследование хранения энергии около $4 млрд, а стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем, досталось по $40 млн. Tesla вложила около $5 млрд в Gigafactory, занимающуюся литий-ионным производством. А США намерены дополнительно субсидировать такое производство, чтобы стать более независимой от внешних рынков страной.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

По данным Fastmarkets, цены на самый дорогой в мире металл для производства аккумуляторов в марте 2021 года выросли до $42 за 1 кг. Аналитики предрекают, что к концу 2021 года они достигнут $57, а в 2024 году составят уже $80.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Пути решения

Автоконцерн General Motors в сотрудничестве с SolidEnergy Systems организовал прроизводство аккумуляторов Ultium для своих электромобилей. Они будут включать жидкий электролит, аноды на базе графита и катоды с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50‒60%, их масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой он заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, а обойдутся вдвое дешевле (примерно в $25 000).

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Новая батарея Tesla (Фото: Tesla)

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Станция Tesla в Южной Австралии (Фото: electrek.co)

Hornsdale Power Reserve построена на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных на Gigafactory. Она имеет мощность 100 МВт и может обеспечивать электричеством более 30 тыс. домохозяйств. Станция обеспечила снижение расходов на эксплуатацию сети региона примерно на 90%. За первые дни ее работы расходы на обслуживание сети снизились на $1 млн.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батареи Tesla в Техасе (Фото: Tesla)

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Перспективы рынка аккумуляторов

Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.

Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.

То, что в этом направлении активно идет развитие, подтверждает и исследование BloombergNEF, аналитики которого выяснили, что средняя цена литий-ионных аккумуляторов упала с $688 до $137 за киловатт-час за 2013−2020 годы. Они прогнозируют, что к 2023 году цены будут близки к $100 за кВт·ч.

Средняя цена литий-ионных аккумуляторов

Средняя цена на аккумуляторы для электромобилей составила $126/кВт·ч. Таким образом, стоимость батарейного блока в общей цене автомобиля снизилась до 21%.

К 2030 году стоимость аккумуляторов может снизиться до $58 за кВт·ч за счет новых технологических достижений.

Ученые создали новый аккумулятор для техники — Российская газета

Международному коллективу ученых из НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН удалось улучшить аккумуляторы для техники при помощи натрия. Об этом сообщает пресс-служба научно-исследовательского центра.

Первые литий-йонные батареи появились в 1991 году, а в 2019 году их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии — за революционный вклад в развитие технологий. Как пишут авторы исследования, литий — дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева, ему очень непросто найти замену для создания емких аккумуляторов.

Возможную альтернативу дорогостоящему металлу предложили ученые НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова. В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию — натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена — сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль наполовину состоит из этого элемента.

Созданием экспериментального образца займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф «На разработку опытных образцов потребуется 1-2 года», — уточнили в пресс-службе НИТУ «МИСиС». В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

«Емкость аккумуляторов в гаджетах остается узким горлом эволюции технологий с незапамятных времен, — рассказывает ИТ-эксперт Никита Горяинов. — Производители как самих девайсов, так и процессоров к ним вынуждены искать баланс между емкостью ячеек, итоговым весом устройства и временем работы устройства. Современный смартфон можно сделать в три раза мощнее, но что делать с тепловыделением и увеличившимся энергопотреблением? Поэтому и тратятся миллиарды долларов на R&D, оптимизацию ARM-процессоров в смартфонах ради дополнительных часов и даже минут работы от аккумулятора».

По словам эксперта, более компактные, энергоемкие и эффективные аккумуляторы станут даже большим прорывом для индустрии, чем когда-то были сверхбыстрая твердотельная память и SSD. «Радует, что этим занимаются и в России. Соотечественникам предстоит самый сложный этап, на котором отсеиваются 98% подобных открытий: превращение теории в практику, а затем в реалистчный и массово производимый продукт. Остается пожелать им удачи и точности во всех последующих расчетах», — заключает Горяинов.

Руководитель Hi-Tech Mail.ru Дмитрий Рябинин настроен менее оптимистично: «Во-первых, эксперимент на ранних стадиях, и даже не пройдены основные тесты. Во-вторых, выстраивание такого нового техпроцесса слишком дорогостоящее. В-третьих, нет поддержки конкретных крупных производителей с потенциальными заказами. Все это делает технологию очередным концептом из туманного будущего на фоне уже имеющихся более реальных разработок».

Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе

В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г. Ковентри. Jason Alden / Bloomberg

Аккумуляторные батареи используются повсюду − в наших телефонах, ноутбуках и автомобилях, но недорогими и высокопроизводительными источниками энергии будущего они до сих пор не стали. Целый ряд европейских и швейцарских научно-производственных инициатив пытается сейчас нащупать пути к инновационному прорыву в этой перспективной области.

Этот контент был опубликован 17 сентября 2021 года — 07:00 17 сентября 2021 года — 07:00

Саймон Бредли

Уроженец Лондона, Саймон – мультимедийный журналист, работающий в SWI swissinfo.ch с 2006 года. Он говорит на французском, немецком и испанском языках, освещает работу ООН и других международных организаций со штаб-квартирами в Женеве, а кроме того, и целый ряд других тем, главным образом во франкоязычной части Швейцарии.

Больше материалов этого / этой автора | Англоязычная редакция

Доступно на 9 других языках

Редактор русскоязычной версии Надежда Капоне.

«Благодаря применению аккумуляторов можно сократить на 30% углеродные выбросы в транспортном и энергетическом секторах, обеспечить электричеством дополнительно 600 млн человек, а также создать по всему миру 10 млн долговременных и экологически устойчивых рабочих мест», — сказано в недавно опубликованном ежегодном докладе Всемирного экономического форума в Давосе, штаб-квартира которого расположена в местечке Колоньи в пригороде Женевы. Пока доминирующую роль на рынке батарей и аккумуляторов играет Азия, причем более 90% их производства приходится на Китай, Ю. Корею и Японию. 

Но Европа намерена уже в скором времени сократить свое отставание. Европейский союз, уступая требования местных гигантов автомобилестроения, намерен скоро запустить массовое производство аккумуляторных батарей и ячеек (модульных элементов перезаряжаемых батарей), с тем чтобы положить конец технологической зависимости от зарубежных производителей. «В настоящее время мы просто пытаемся наверстать упущенное, но основная идея ЕС заключается в том, чтобы создать собственную производственно-инновационную базу для разработок в сфере производства аккумуляторов». 

Об этом мы беседуем с Корсин Баттальей (Corsin BattagliaВнешняя ссылка), экспертом Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EmpaВнешняя ссылка). Швейцария не входит в Евросоюз, но принимает активное участие в европейских научных проектах по разработке аккумуляторов нового поколения. Четыре года назад с целью наращивания производственных мощностей и развития научно-исследовательского потенциала в данной сфере по инициативе Еврокомиссии был создан Европейский аккумуляторный альянс (European Battery Alliance). 

По данным НКО Transport & Environment, в рамках этой инициативы по всей Европе запланировано построить почти 40 заводов по производству батарей, так называемых «гигафабрик». Если все они в самом деле заработают, то к 2025 году старый свет сможет обеспечить себе долю мирового рынка аккумуляторов в 20%, что в годовом выражении составит торгово-промышленный оборот на ровне в 250 млрд евро или 270 млрд швейцарских франков. Одним из первых полностью европейских предприятий по производству экологически чистых аккумуляторов станет гигафабрика Northvolt EttВнешняя ссылка на севере Швеции в городе Шеллефтео. 

Площадь огромного завода по производству литий-ионных батарей достигает 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. Фабрика Northvolt заявляет, что сможет выпускать батареи в количестве, необходимом для производства одного миллиона электромобилей в год. В настоящее время создание гигафабрик в Швейцарии не планируется, но страна и ее огромный научный потенциал тесно связаны с европейскими усилиями по разработке модели аккумулятора будущего. 

Огромный завод по производству литий-ионных аккумуляторов Northvolt Ett на севере Швеции будет занимать площадь более 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. William Steel (Northvolt)

«Идет ли речь о сырье и материалах, о сборке аккумуляторных ячеек в единую батарею, о системах менеджмента, о переработке, утилизации или о системах хранения энергии − в Швейцарии есть большое число компаний, активно работающих в области производства аккумуляторов, а некоторые даже являются мировыми лидерами этой отрасли», — говорит Корсин Батталья.

Самовосстанавливающиеся батареи

На протяжении последних десятков лет доминирующей технологией хранения электроэнергии были литий-ионные батареи, и ожидается, что спрос на них вырастет в течение следующего десятилетия в десять раз. За последние 30 лет стоимость литиевых батарей упала почти на 100%, но наука в направлении совершенствования таких батарей практически никак не продвинулась. Для удовлетворения будущего спроса на такие аккумуляторы нам потребуются альтернативные технологии, обеспечивающие повышенные сроки службы их элементов и повышение общей емкости данных батарей. 

Именно этим и занимается European Battery 2030+, европейская инициатива в области исследований и разработок аккумуляторных батарей с общим бюджетом в 40 млн евро. Инициатива был запущена в прошлом 2020 году, в нее входят семь крупных исследовательских проектов, реализуемых при поддержке девяти европейских стран, включая Швейцарию. Один из проектов называется HIDDEN, и он ставит перед собой задачу увеличить средний срок службы литий-ионных аккумуляторов и их удельную энергоемкость по меньшей мере на 50%.

Корсин Батталья (справа) и исследователь Мари-Клод Бэй из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa), активно участвующей в европейских исследованиях параметров аккумуляторных батарей. Empa

«Реальную проблему для долговечности литий-металлических батарей представляет постепенный рост внутри них так называемых дендритов, крошечных жестких древовидных структур. Их игольчатые выступы называются усы, — объясняет Аксель Фюрст (Axel FuerstВнешняя ссылка), руководитель проекта HIDDEN при Бернской высшей школе прикладных наук (Berner FachhochschuleВнешняя ссылка). — Металлический литий имеет очень высокую энергетическую плотность и поэтому его можно использовать для производства все более легких и энергоемких батарей. Но дендриты растут очень быстро, из-за чего срок жизни таких аккумуляторов в среднем невелик», — говорит он.

Чтобы решить эту проблему, его группа занимается изучением процесса самовосстановления батареи. Они надеются, что специально разработанные термотропные (то есть образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений) жидкокристаллические ионные электролиты вместе с добавками и пьезоэлектрическим сепаратором, создающим электрическое поле, смогут остановить процесс роста коварных дендритов. Первую концептуальную модель такого аккумулятора тут надеются представить к 2023 году в надежде, что потом она получит широкое распространение и будет востребована на рынке.

Меньше редких металлов

Тем временем Корсин Батталья и его коллеги из Empa координируют европейский исследовательский проект SENSE, целью которого является создание так называемого литий-ионного аккумулятора «поколения 3b» с композитным анодом из кремния и графита и монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта. Целью исследования является повышение удельной энергоемкости батареи, что позволит увеличить дальность пробега транспортных средств, усовершенствовать технологии быстрой зарядки аккумуляторов и сократить объемы использования редких металлов. 

«Мы хотим сократить содержание кобальта и повысить содержание никеля», — говорит исследователь из Empa. Кобальт — один из самых дорогих материалов в батарее. Производители стараются сократить его использование, так как его поставки могут в будущем быть связанными со значительными политическими и социальными издержками и рисками. Напомним, что около 70% мировых объемов кобальта поступает на рынок из ДР Конго, а там работа шахтеров сопряжена с опасностью и вредными условиями труда. Основные же мощности по обогащению кобальтовой руды расположены в Китае. «Создание идеальной батареи — задача не из легких, зачастую требующая компромиссного подхода, от чего-то приходится отказываться, чтобы получить на выходе желаемый инженерный результат», — объясняет Корсин Батталья. 

Дело в том, что никель, обычно добавляемый в состав батареи, увеличивает мощность аккумулятора и он относительно дешев, но при этом никель приводит к быстрому износу батареи. Ученые в Швейцарии поэтому проводят сейчас эксперименты, добавляя в графитовый анод кремний. Этот материал представляет собой особый интерес для исследователей, поскольку он способен сохранять примерно в 10 раз больше энергии, чем графит. Но во время циклов заряда и разряда кремний подвержен расширению, что ведет к разрушению структуры анода и быстрой потере производительности. Эксперты Empa также занимаются сейчас разработкой новых датчиков быстрой зарядки для установки их на литий-ионные батареи, с тем чтобы аккумуляторы можно было заряжать быстрее и эффективнее. «Чтобы ускорить процесс зарядки нам нужно получить данные о локальной температуре и ресурсе аккумуляторной батареи, а также быстрее делать замеры внутри её ячеистых элементов», — говорит К. Батталья.

Твердотельные аккумуляторы

Еще одним претендентом на звание аккумулятора будущего является твердотельный аккумулятор с твердым электролитом, которым уже сейчас можно заменять вместо легковоспламеняющихся жидкие электролиты, используемые в обычных литий-ионных аккумуляторах. Такие батареи считаются более экономичными, безопасными, они требуют меньше сырья для их производства. Новейшие прототипы позволяют предположить, что твердотельные батареи смогут в будущем хранить на 80% больше энергии, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы того же веса и объема.

Монтаж аккумулятрной батареи на фабрике Leclanche в городе Ивердон-ле-Бен на западе Швейцарии, май 2020 года. Компания Leclanche SA является ведущим мировым поставщиком высококачественных накопителей энергии на основе литий-ионных технологий. Keystone / Laurent Gillieron

Корсин Батталья говорит, что такие прорывные технологии сулят нам множество преимуществ, но воспользоваться ими в полном объеме пока не получается, соответствующие разработки пока не готовы покинуть пределы исследовательских лабораторий. По его словам, разработать твердотельную батарею с большой емкостью и длительным сроком службы оказалось не так-то просто. «Сделать такой аккумулятор с удвоенной энергоемкостью не проблема, но, скорее всего, после 20 циклов перезарядки такая батарея выйдет из строя», — объясняет он. Остается обычная батарея. Ее энергоемкость можно удвоить, заменив графит металлическим литием, но слишком быстрая зарядка батареи с большим содержанием лития приводит опять же к образованию дендритов, которые срок службы батареи резко сокращают.

Хотя батареи можно увеличить вдвое, заменив графит (материал анода литий-ионной батареи) на металлический литий, но слишком быстрая зарядка литий-металлической батареи вызовет образование дендритов, сокращающих срок ее службы. А ведь сумей твердотельные литиевые батареи решить все свои проблемы, с их помощью технологии, лежащие в основе мобильных источников энергии, смогли бы сделать огромный шаг вперед в плане и энергоемкости, и долговечности. В рамках проекта SOLIDIFY, направленного на разработку производственных процессов для так называемых аккумуляторов «поколения 4b», твердотельных аккумуляторов, которые могут быть готовы к выходу на рынок через десять лет, швейцарская структура Empa уже плотно сотрудничает с десятком своих европейских партнеров.

Эффективные системы хранения энергии

В ближайшие десятилетия значительный рост степени востребованности также ожидает стационарные системы хранения энергии. Литий-ионные аккумуляторы и батареи с монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта, уже используются для хранения солнечной и ветровой энергии, получаемой в условиях домашних хозяйств. Ученые сейчас занимаются поиском альтернатив таким литий-ионным батареям, пытаясь усовершенствовать, например цинковые, натрий-ионные и ванадиевые аккумуляторы, которые, как оказалось, хорошо подходят для стационарного хранения энергии. 

Однако для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на такие хранилища и обеспечить их ценовую конкурентоспособность, необходимо еще приложить значительные усилия. Швейцарское ведомство Empa является одним из двенадцати партнеров, которые как раз и занимаются активизацией таких усилий в рамках европейского аккумуляторного проекта SOLSTICE, в котором также участвуют швейцарские фирмы FZSONICK и Quantis. Их цель заключается в разработке никель-солевых термальных аккумуляторных батарей на основе жидких натрия и цинка, которые работают только при высоких температурах и которые можно использовать для стационарного хранения энергии.

По словам К. Баттальи, по мере быстрого увеличения в ближайшие десятилетия спроса на стационарные накопительные системы и в связи с ростом числа электромобилей на дорогах спрос на инновационные аккумуляторы также будет возрастать, а это значит, что многие швейцарские фирмы, помимо уже имеющихся игроков, также смогут получить свою долю прибыли. «Ко мне часто обращаются швейцарские компании, которые не связаны напрямую с аккумуляторной отраслью, но, имея за плечами знания и опыт в сфере производства и интеграции (разных производственных процессов в единую систему), они все чаще рассматривают эту отрасль в качестве направления на рынке, перспективного и для них тоже».

Сотрудничество компаний Lonza и Natron Energy

Еще один крупный проект в области технологий хранения энергии реализуется сейчас в Швейцарии в рамках сотрудничества между биохимической компанией Lonza, расположенной в кантоне Вале, и американской компанией Natron Energy. В апреле 2021 года они объявили о достижении стратегического соглашения с целью поставки порошка берлинской лазури (синий пигмент/железисто-синеродистая соль окиси железа), необходимого для производства натриево-ионных аккумуляторов.

Один из бизнесов компании Lonza, компания Lonza Specialty Ingredients, будет производить порошок берлинской лазури для Natron Energy на своем предприятии в городе Фисп (Visp, кантон Вале). С конца следующего 2022 года этот пигмент будут использовать на производстве аккумуляторных электродов на новом предприятии этой компании, рассчитанном на примерно 100 сотрудников и расположенном недалеко от г. Сьон. Оттуда электроды швейцарского производства будут экспортироваться в США для использования в накопителях энергии от компании Natron.

Статья в этом материале

Ключевые слова:

QuantumScape заявил о революции в производстве аккумуляторов

Американская компания QuantumScape представила результаты тестирования новой ячейки для аккумуляторной батареи электромобиля. Главные особенности разработки таковы: во-первых, зарядка до 80% емкости за 15 мин, что почти вдвое быстрее, чем у литий-ионной батареи электромобиля Tesla Model 3, одной из лидеров по этому показателю.

Во-вторых, сохранение свыше 80% емкости после 800 циклов заряда и разряда, что говорит о потенциальном сроке службы батареи в несколько сотен тысяч километров (Tesla дает гарантию до 240 000 км). И в-третьих, объемная плотность энергии в 1000 Вт ч/л, что примерно на 80% больше, чем у самых современных литий-ионных ячеек. Это значит, что и емкость батареи будет соответствующей, а по запасу хода электромобили на таких батареях сравняются с автомобилями с ДВС. Что не менее важно, ячейка сохраняет свои характеристики до температур около -30 градусов по Цельсию, в то время как литий-ионные батареи демонстрируют снижение показателей в таких условиях. Да, и новая батарея не воспламеняется.

Ячейка QuantumScape построена по технологии твердотельных батарей: в них используется твердый электролит, а не жидкий, как в наиболее часто используемых сегодня литий-ионных батареях. Твердотельные батареи уже несколько десятков лет считаются одной из самых перспективных технологий, однако нерешенные технические проблемы пока не позволяли исследователям говорить о коммерческих перспективах.

Калифорнийский стартап QuantumScape был основан в 2010 г. профессором Стэнфордского университета Фрицем Принцем и выпускником этого университета Джагдипом Сингхом. С 2012 г. компания начала работать с Volkswagen, а в 2018 г. немецкий автогигант вложил в стартап $100 млн, став крупнейшим акционером. В том же году представители обеих компаний заявили, что начинают подготовку к массовому производству твердотельных батарей. В июне 2020 г. Volkswagen инвестировал в QuantumScape еще $200 млн. В ноябре 2020 г. QuantumScape провела IPO на Нью-Йоркской бирже путем слияния с уже вышедшей на биржу специализированной компанией для поглощений (SPAC). Сделка помогла стартапу привлечь еще $700 млн, которые будут направлены на организацию производства, а котировки акций компании с тех пор выросли уже втрое до уровня в $75 за акцию. По словам представителей QuantumScape и Volkswagen, производство начнется в 2025 г.

Ячейку QuantumScape отличает ряд особенностей. Для формирования анода ей не требуется даже минимальное количество лития, что удешевляет процесс производства. Кроме того, в ячейке используется особый тончайший керамический сепаратор, который разделяет электроды. На его разработку компании потребовалось пять лет, и точное описание материалов, используемых для его изготовления, является главной коммерческой тайной компании. А основной задачей QuantumScape теперь будет создание многослойных ячеек и составление из них целой аккумуляторной батареи. Как отмечают специалисты, эта задача не так проста, как может показаться, поэтому компания еще может столкнуться со сложностями, которые могут привести к сдвигу заявленных сроков начала производства и даже к полной неудаче проекта.

QuantumScape и Volkswagen не единственные компании, которые проводят исследования в этой области. Японский автопроизводитель Toyota ранее заявлял о планах наладить выпуск электромобилей с твердотельными аккумуляторными батареями к 2025 г. Другой американский стартап, Solid Power, основанный шесть лет назад, заручился поддержкой таких автокомпаний, как BMW, Ford и Hyundai, и рассчитывает запустить производство в 2026 г. Однако до демонстрации работающего аккумулятора дело пока не дошло ни у кого.

Огонь-батарея – Бизнес – Коммерсантъ

Индустрия аккумуляторных батарей не претерпевала коренных изменений уже почти полвека, с момента изобретения литий-ионных батареек. Вместе со свинцово-кислотными аккумуляторами они сейчас занимают примерно две трети рынка. Однако взрывной рост спроса на электронику и переход автомобильной индустрии на электродвигатели требует поиска принципиально новых, гораздо более совершенных технологий в этой сфере.

Несущая невесомая

В марте ученые из Технического университета Чалмерса объявили о создании аккумулятора, который в ближайшее время может произвести революцию на рынке. Это структурный аккумулятор из композитного углеродного материала, который одновременно выполняет функцию как хранилища энергии, так и несущего элемента конструкции, например автомобиля.

Свою батарею инженеры называют невесомой, так как она фактически не утяжеляет устройство, на котором будет установлена.

Саму технологию шведские ученые разработали еще два года назад. Тогда их изобретение было признано изданием Physics World крупнейшим научным достижением года. Корпус первоначальной разработки выдерживал такие физические нагрузки, под которыми обычная литиевая батарейка просто разрушится. Однако по одному из главных показателей, плотности запасаемой энергии, эта разработка сильно уступала литий-ионным батареям. За два года шведским ученым удалось улучшить как этот показатель, так и уровень жесткости батареи примерно в десять раз. Теперь аккумулятор шведских инженеров не уступает по прочности другим конкурентам на рынке. Проблемой остается только плотность запасаемой энергии — она все еще в несколько раз ниже, чем у тех же литий-ионных батарей. Но ученые заверяют, что знают, как и дальше совершенствовать свое изобретение, и готовы увеличить показатели обеих ключевых характеристик.

С заботой о природе

Помимо попыток создать аккумуляторы совершенно нового типа ученые работают и над совершенствованием батареек с полувековой историей — литий-ионных аккумуляторов. Батареи этого типа, по данным Grand View Research (GVR), занимают второе место по распространенности в мире, уступая совсем немного свинцово-кислотным аккумуляторам. То есть по итогам 2019 года занимали долю 29,5%. Однако лавинообразный рост электронных девайсов, которыми люди пользуются в повседневной жизни, и ускоряющийся переход мирового автопрома на электродвигатели приведут к тому, что в обозримом будущем большим спросом начнут пользоваться именно литиевые батареи, уверены аналитики GVR.

Сейчас объем рынка литий-ионных батарей оценивается примерно в $33 млрд, и он будет расти в среднем на 13% в год.

Пока правительства многих стран принимают все больше мер для сохранения природных ресурсов, инженеры пытаются создать батареи, в которых не будет использоваться редкоземельный металл кобальт. Так, в середине прошлого года ученые из Университета Техаса в Остине объявили, что разработали бескобальтовую батарею, где в качестве катода вместо кобальта используется 89-процентный никель. «Кобальт является наименее распространенным и самым дорогим компонентом в катодах батарей. И мы его полностью исключаем из производства»,— сказал профессор Арумугам Мантирам, директор Техасского института материалов. В декабре 2020 года китайская высокотехнологичная компания SVOLT Energy (бывшее подразделение производителя грузовиков Great Wall Motor) начала прием заказов на бескобальтовые аккумуляторы для электромобилей.

Помимо снижения содержания редкоземельных металлов, как утверждает компания, эти аккумуляторы обладают более высокой плотностью энергии, что позволит электромобилю преодолевать без подзарядки до 800 км.

Ожидается, что производство батарей начнется в середине 2022 года.

Разработкой батарей без использования кобальта занимается и американская корпорация IBM. Еще в конце 2019 года американская корпорация заявила о намерении полностью отказаться от тяжелых металлов при производстве батарей. Компания заверяет, что открыла технологию, которая позволяет использование не только кобальта, но и никеля. При этом батарея нового типа, по словам IBM, будет производительнее традиционных литий-ионных, а материалы для нее будут извлекаться из морской воды. Кроме того, компания обещает, что ее аккумуляторы будут дешевле в производстве, быстрее заряжаться, а также иметь как более высокую мощность, так и плотность энергии.

Подзарядка от всего подряд

За последние годы появилось множество разработок необычных батарей, пытающихся получить энергию практически из всего, что их окружает. Так, например, в начале 2019 года международная группа ученых при поддержке Массачусетского технологического института представила свою работу по созданию батареи, которая могла бы добывать электроэнергию, улавливая волны Wi-Fi-сетей.

Названное ректенной (антенна для сбора радиоволн) устройство может поместиться в любом электронном устройстве, даже самом миниатюрном, ведь его толщина всего несколько атомов.

В свою очередь, американский стартап uBeam пытается использовать для передачи электричества ультразвук. Энергия превращается в звуковые волны, неслышимые для людей и животных, которые передаются от одного устройства к другому и затем преобразуются обратно в энергию. Выглядит такой передатчик энергии как пластина толщиной 5 мм. А израильский стартап StoreDot создал зарядное устройство, которое использует биологические полупроводники, изготовленные из природных органических соединений — пептидов. Такая батарея, по заверениям разработчиков, способна зарядить смартфон за 60 секунд, а электромобиль — всего за 5 минут, после чего тот сможет проехать почти 500 км.

Кирилл Сарханянц

Заряд в секундах, в последние месяцы

(Pocket-lint). Хотя смартфоны, умные дома и даже умные носимые устройства становятся все более совершенными, они все еще ограничены мощностью. Аккумулятор не совершенствовался десятилетиями. Но мы находимся на пороге революции власти.

Крупные технологические и автомобильные компании слишком хорошо осведомлены об ограничениях литий-ионных аккумуляторов. В то время как чипы и операционные системы становятся более эффективными для экономии энергии, мы все еще рассматриваем только один или два дня использования смартфона, прежде чем потребуется подзарядка.

Хотя может пройти какое-то время, прежде чем мы сможем прожить неделю жизни наших телефонов, разработка идет хорошо. Мы собрали все лучшие открытия в области аккумуляторов, которые могут быть с нами в ближайшее время, от беспроводной зарядки до сверхбыстрой 30-секундной подзарядки. Надеюсь, скоро вы увидите эту технологию в своих гаджетах.

Маркус Фолино / Технологический университет Чалмерса

Структурные батареи могут привести к созданию сверхлегких электромобилей

Исследования, проведенные в Технологическом университете Чалмерса, уже много лет рассматривают возможность использования батареи не только для питания, но и в качестве структурного компонента.Преимущество этого предложения состоит в том, что продукт может уменьшить количество структурных компонентов, потому что батарея обладает достаточной силой для выполнения этих задач. Используя углеродное волокно в качестве отрицательного электрода, а в качестве положительного — фосфат лития-железа, последняя батарея имеет жесткость 25 ГПа, хотя есть еще кое-что, чтобы увеличить энергоемкость.

NAWA Technologies

Электрод из углеродных нанотрубок с вертикальной ориентацией

Компания NAWA Technologies разработала и запатентовала сверхбыстрый углеродный электрод, который, по ее словам, изменил правила игры на рынке аккумуляторов.В нем используется конструкция с вертикально расположенными углеродными нанотрубками (VACNT), и NAWA заявляет, что он может увеличить мощность батареи в десять раз, увеличить запас энергии в три раза и увеличить срок службы батареи в пять раз. Компания считает, что электромобили являются основным бенефициаром, сокращая углеродный след и стоимость производства аккумуляторов, одновременно повышая производительность. NAWA заявляет, что дальность действия 1000 км может стать нормой, а время зарядки сокращено до 5 минут, чтобы достичь 80 процентов. Технология может быть запущена в производство уже в 2023 году.

Литий-ионная батарея без кобальта

Исследователи из Техасского университета разработали литий-ионную батарею, в которой в качестве катода не используется кобальт. Вместо этого он переключился на высокий процент никеля (89 процентов), используя марганец и алюминий в качестве других ингредиентов. «Кобальт — наименее распространенный и самый дорогой компонент в катодах аккумуляторных батарей», — сказал профессор Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения Уолкера и директор Техасского института материалов.«И мы полностью устраняем это». Команда говорит, что с помощью этого решения они преодолели общие проблемы, обеспечив длительный срок службы батареи и равномерное распределение ионов.

SVOLT представляет батареи для электромобилей, не содержащие кобальт.

Несмотря на то, что свойства электромобилей по сокращению выбросов широко распространены, все еще существуют разногласия по поводу аккумуляторов, особенно по поводу использования таких металлов, как кобальт. Компания SVOLT, штаб-квартира которой находится в Чанчжоу, Китай, объявила о производстве безкобальтовых батарей, предназначенных для рынка электромобилей.Помимо сокращения содержания редкоземельных металлов, компания заявляет, что они обладают более высокой плотностью энергии, что может привести к дальности действия до 800 км (500 миль) для электромобилей, а также продлить срок службы батареи и повысить безопасность. Мы не знаем, где именно мы увидим эти батареи, но компания подтвердила, что работает с крупным европейским производителем.

Тимо Иконен, Университет Восточной Финляндии

На шаг ближе к литий-ионным батареям с кремниевым анодом

Стремясь решить проблему нестабильного кремния в литий-ионных батареях, исследователи из Университета Восточной Финляндии разработали метод производства гибридного анода. , используя микрочастицы мезопористого кремния и углеродные нанотрубки.В конечном итоге цель состоит в том, чтобы заменить графит в качестве анода в батареях и использовать кремний, емкость которого в десять раз больше. Использование этого гибридного материала улучшает характеристики батареи, в то время как силиконовый материал устойчиво производится из золы шелухи ячменя.

Университет Монаша

Литий-серные аккумуляторы могут превзойти литий-ионные, снизить воздействие на окружающую среду

Исследователи из Университета Монаша разработали литий-серные аккумуляторы, способные питать смартфон в течение 5 дней, превосходя литий-ионные.Исследователи изготовили эту батарею, имеют патенты и интерес производителей. У группы есть финансирование для дальнейших исследований в 2020 году, заявив, что дальнейшие исследования автомобилей и использования сетей будут продолжены.

Утверждается, что новая технология аккумуляторов оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем литий-ионные, и снижает производственные затраты, при этом предлагая возможность питания автомобиля на 1000 км (620 миль) или смартфона в течение 5 дней.

Аккумулятор IBM получен из морской воды и превосходит по своим характеристикам литий-ионный

IBM Research сообщает, что он обнаружил новый химический состав аккумулятора, который не содержит тяжелых металлов, таких как никель и кобальт, и потенциально может превзойти литий-ионные.IBM Research утверждает, что этот химический состав никогда раньше не использовался в комбинации в батареях и что материалы можно извлекать из морской воды.

Производительность аккумулятора многообещающая, при этом IBM Research заявляет, что он может превзойти литий-ионный в ряде различных областей — он дешевле в производстве, он может заряжаться быстрее, чем литий-ионный, и может работать как с более высокой мощностью. и плотности энергии. Все это доступно в аккумуляторе с низкой горючестью электролитов.

IBM Research отмечает, что эти преимущества сделают ее новую технологию аккумуляторов подходящей для электромобилей, и она работает с Mercedes-Benz, в частности, над превращением этой технологии в жизнеспособную коммерческую батарею.

Panasonic

Система управления батареями Panasonic

В то время как литий-ионные батареи повсюду и их число растет, управление этими батареями, включая определение того, когда у них закончился срок службы, затруднено.Panasonic, работая с профессором Масахиро Фукуи из Университета Рицумейкан, разработала новую технологию управления батареями, которая упростит мониторинг батарей и определение остаточной стоимости литий-ионных в них.

Panasonic заявляет, что ее новую технологию можно легко применить с изменением системы управления батареями, что упростит мониторинг и оценку батарей с множеством ячеек, которые можно найти в электромобиле. Panasonic сообщает, что эта система поможет продвинуться в направлении устойчивого развития, поскольку сможет лучше управлять повторным использованием и переработкой литий-ионных аккумуляторов.

Асимметричная модуляция температуры

Исследования продемонстрировали метод зарядки, который приближает нас на шаг ближе к сверхбыстрой зарядке — XFC — который направлен на пробег 200 миль электромобиля примерно за 10 минут с зарядкой 400 кВт. Одна из проблем с зарядкой — это литиевая гальваника в батареях, поэтому метод асимметричной температурной модуляции заряжает при более высокой температуре, чтобы уменьшить гальванику, но ограничивает это до 10-минутных циклов, избегая роста межфазной границы твердого электролита, что может сократить срок службы батареи.Сообщается, что этот метод снижает износ батареи, позволяя заряжать XFC.

Pocket-lint

Песочная батарея дает в три раза больше времени автономной работы

В этом альтернативном типе литий-ионных аккумуляторов используется кремний для достижения в три раза большей производительности, чем у современных графитовых литий-ионных аккумуляторов. Батарея по-прежнему литий-ионная, как и в вашем смартфоне, но в анодах используется кремний вместо графита.

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде какое-то время занимались нанокремнием, но он слишком быстро деградирует, и его трудно производить в больших количествах.С помощью песка его можно очистить, измельчить в порошок, затем измельчить с солью и магнием перед нагреванием для удаления кислорода, что приведет к получению чистого кремния. Он пористый и трехмерный, что помогает повысить производительность и, возможно, продлить срок службы батарей. Изначально мы начали это исследование в 2014 году, и теперь оно приносит свои плоды.

Silanano — стартап в области аккумуляторных технологий, который выводит эту технологию на рынок и получил большие инвестиции от таких компаний, как Daimler и BMW. Компания заявляет, что ее решение можно использовать в существующем производстве литий-ионных аккумуляторов, поэтому оно настроено на масштабируемое развертывание, обещая прирост производительности батареи на 20% сейчас или на 40% в ближайшем будущем.

Захват энергии от Wi-Fi

Хотя беспроводная индуктивная зарядка является обычным явлением, возможность захвата энергии от Wi-Fi или других электромагнитных волн остается проблемой. Однако группа исследователей разработала ректенну (антенну, собирающую радиоволны), которая представляет собой всего лишь несколько атомов, что делает ее невероятно гибкой.

Идея состоит в том, что устройства могут включать в себя эту ректенну на основе дисульфида молибдена, чтобы энергия переменного тока могла быть получена от Wi-Fi в воздухе и преобразована в постоянный ток, либо для подзарядки батареи, либо для непосредственного питания устройства.Это может привести к появлению медицинских таблеток с питанием без необходимости во внутренней батарее (безопаснее для пациента) или мобильных устройств, которые не нужно подключать к источнику питания для подзарядки.

Энергия, полученная от владельца устройства

Вы могли бы стать источником энергии для вашего следующего устройства, если исследования TENG увенчались успехом. TENG или трибоэлектрический наногенератор — это технология сбора энергии, которая улавливает электрический ток, генерируемый при контакте двух материалов.

Исследовательская группа из Суррейского института передовых технологий и Университета Суррея дала представление о том, как эту технологию можно использовать для питания таких вещей, как носимые устройства. Хотя мы еще далеки от того, чтобы увидеть это в действии, исследование должно дать дизайнерам инструменты, необходимые для эффективного понимания и оптимизации будущей реализации TENG.

Золотые батареи с нанопроволокой

Великие умы из Калифорнийского университета в Ирвине создали треснувшие батареи с нанопроволокой, которые выдерживают много перезарядок.В результате в будущем батареи могут не разрядиться.

Нанопроволока, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, открывает большие возможности для батарей будущего. Но они всегда ломались при подзарядке. Это открытие использует золотые нанопроволоки в гелевом электролите, чтобы избежать этого. Фактически, эти батареи были проверены на перезарядку более 200 000 раз за три месяца и не показали вообще никакой деградации.

Твердотельные литий-ионные

Твердотельные батареи традиционно обеспечивают стабильность, но за счет передачи электролита.В статье, опубликованной учеными Toyota, рассказывается об их испытаниях твердотельной батареи, в которой используются сульфидные суперионные проводники. Все это означает превосходный аккумулятор.

В результате получился аккумулятор, способный работать на уровне суперконденсаторов, чтобы полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут, что делает его идеальным для автомобилей. Поскольку он твердотельный, это также означает, что он намного стабильнее и безопаснее, чем нынешние батареи. Твердотельный блок также должен работать при температуре от минус 30 до 100 градусов Цельсия.

Электролитные материалы по-прежнему создают проблемы, поэтому не ожидайте увидеть их в ближайшее время в автомобилях, но это шаг в правильном направлении к более безопасным и быстро заряжаемым аккумуляторам.

Grabat графеновые батареи

Графеновые батареи потенциально могут быть одними из самых лучших среди имеющихся. Grabat разработал графеновые батареи, которые могут обеспечить электромобилям запас хода до 500 миль без подзарядки.

Graphenano, компания, стоящая за разработкой, заявляет, что аккумуляторы можно полностью зарядить всего за несколько минут, и они могут заряжаться и разряжаться в 33 раза быстрее, чем литий-ионные.Разряд также важен для таких вещей, как автомобили, которым требуется огромное количество энергии для быстрого трогания с места.

Нет информации о том, используются ли аккумуляторы Grabat в настоящее время в каких-либо продуктах, но у компании есть аккумуляторы для автомобилей, дронов, мотоциклов и даже для дома.

Лазерные микроконденсаторы

Rice Univeristy

Ученые из Университета Райса совершили прорыв в создании микроконденсаторов. В настоящее время их производство дорогое, но с использованием лазеров, которые вскоре могут измениться.

При использовании лазеров для выжигания электродов на листы пластика затраты на производство и усилия значительно снижаются. В результате получается батарея, которая может заряжаться в 50 раз быстрее, чем нынешние батареи, и разряжаться даже медленнее, чем современные суперконденсаторы. Они даже прочные, способны работать после более чем 10 000 сгибаний во время испытаний.

Пенные аккумуляторы

Прието считает, что будущее аккумуляторов — за 3D. Компании удалось решить эту проблему с помощью своей батареи, в которой используется медная вспененная подложка.

Это означает, что эти батареи будут не только более безопасными благодаря отсутствию горючего электролита, но также будут предлагать более длительный срок службы, более быструю зарядку, в пять раз более высокую плотность, будут дешевле в производстве и будут меньше, чем существующие предложения.

Prieto стремится в первую очередь размещать свои батареи в небольших предметах, например, в носимых устройствах. Но в нем говорится, что батареи можно масштабировать, чтобы мы могли видеть их в телефонах и, возможно, даже в автомобилях в будущем.

Carphone Warehouse

Складной аккумулятор похож на бумагу, но прочный

Jenax J.Аккумулятор Flex был разработан, чтобы сделать гаджеты возможными. Батарея, похожая на бумагу, складывается и является водонепроницаемой, что означает, что ее можно интегрировать в одежду и другие носимые устройства.

Батарея уже создана и даже прошла испытания на безопасность, в том числе ее сложили более 200 000 раз без потери производительности.

Ник Билтон / The New York Times

uBeam по воздуху зарядка

uBeam использует ультразвук для передачи электричества. Энергия преобразуется в звуковые волны, неслышимые для людей и животных, которые передаются, а затем преобразуются обратно в энергию при достижении устройства.

С концепцией uBeam наткнулась 25-летняя выпускница астробиологии Мередит Перри. Она основала компанию, которая позволит заряжать гаджеты по воздуху с помощью пластины толщиной 5 мм. Эти передатчики можно прикрепить к стенам или сделать предметами декоративного искусства для передачи энергии на смартфоны и ноутбуки. Гаджетам просто нужен тонкий приемник, чтобы принимать заряд.

StoreDot

StoreDot заряжает мобильные телефоны за 30 секунд

StoreDot, стартап, созданный на базе кафедры нанотехнологий Тель-Авивского университета, разработал зарядное устройство StoreDot.Он работает с современными смартфонами и использует биологические полупроводники, сделанные из природных органических соединений, известных как пептиды — короткие цепочки аминокислот, которые являются строительными блоками белков.

В результате получилось зарядное устройство, способное заряжать смартфон за 60 секунд. Батарея состоит из «негорючих органических соединений, заключенных в многослойную защитную структуру, предотвращающую перенапряжение и нагрев», поэтому проблем с ее взрывом быть не должно.

Компания также объявила о планах создать аккумулятор для электромобилей, который заряжается за пять минут и обеспечивает запас хода до 300 миль.

Пока неизвестно, когда аккумуляторы StoreDot будут доступны в глобальном масштабе — мы ожидали, что они появятся в 2017 году, — но когда они появятся, мы ожидаем, что они станут невероятно популярными.

Pocket-lint

Прозрачное солнечное зарядное устройство

Alcatel продемонстрировал мобильный телефон с прозрачной солнечной панелью над экраном, которая позволяет пользователям заряжать свой телефон, просто поместив его на солнце.

Хотя вряд ли он появится в продаже в течение некоторого времени, компания надеется, что он каким-то образом решит повседневные проблемы, связанные с постоянным отсутствием заряда батареи.Телефон будет работать как с прямым солнечным светом, так и со стандартным освещением, так же, как и обычные солнечные батареи.

Phienergy

Алюминиево-воздушная батарея обеспечивает пробег на 1100 миль без подзарядки

Автомобиль сумел проехать 1100 миль на одном заряде аккумулятора. Секрет этого супердиапазона заключается в технологии батареи, называемой «алюминий-воздух», которая использует кислород из воздуха для заполнения своего катода. Это делает его намного легче, чем заполненные жидкостью литий-ионные батареи, что дает автомобилю гораздо больший запас хода.

Бристольская робототехническая лаборатория

Батареи с питанием от мочи

Фонд Билла Гейтса финансирует дальнейшие исследования Бристольской робототехнической лаборатории, которая обнаружила батареи, которые могут питаться от мочи. Этого достаточно для зарядки смартфона, который ученые уже продемонстрировали. Но как это работает?

Используя микробный топливный элемент, микроорганизмы собирают мочу, расщепляют ее и выделяют электричество.

Звук работает

Исследователи из Великобритании создали телефон, который может заряжаться, используя окружающий звук в окружающей атмосфере.

Смартфон построен по принципу пьезоэлектрического эффекта. Были созданы наногенераторы, которые собирают окружающий шум и преобразуют его в электрический ток.

Наностержни даже реагируют на человеческий голос, а это значит, что болтливые мобильные пользователи могут подключать свой телефон во время разговора.

Двойная углеродная батарея Ryden заряжается в 20 раз быстрее

Power Japan Plus уже анонсировала новую технологию аккумуляторов под названием Ryden dual carbon. Он не только прослужит дольше и будет заряжаться быстрее, чем литиевые, но его можно будет производить на тех же заводах, где производятся литиевые батареи.

В батареях используются углеродные материалы, что означает, что они более экологичны и безопасны для окружающей среды, чем существующие в настоящее время альтернативы. Это также означает, что батареи будут заряжаться в двадцать раз быстрее, чем литий-ионные. Они также будут более долговечными, способными выдержать до 3000 циклов зарядки, а также более безопасными с меньшей вероятностью возгорания или взрыва.

Натрий-ионные аккумуляторы

Ученые из Японии работают над новыми типами аккумуляторов, которые не нуждаются в литии, таких как аккумулятор вашего смартфона.В этих новых батареях будет использоваться натрий, один из самых распространенных материалов на планете, а не редкий литий, и они будут в семь раз эффективнее обычных батарей.

Исследования натриево-ионных батарей ведутся с восьмидесятых годов в попытке найти более дешевую альтернативу литию. Используя соль, шестой по распространенности элемент на планете, можно сделать батареи намного дешевле. Ожидается, что в ближайшие 5-10 лет начнется коммерциализация аккумуляторов для смартфонов, автомобилей и других устройств.

Upp

Зарядное устройство для водородных топливных элементов Upp

Переносное зарядное устройство для водородных топливных элементов Upp уже доступно. Он использует водород для питания вашего телефона, не позволяя вам подключаться к электросети и оставаясь безвредным для окружающей среды.

Одна водородная ячейка обеспечит пять полных зарядов мобильного телефона (емкость 25 Втч на ячейку). И единственный производимый побочный продукт — это водяной пар. Разъем USB типа A означает, что он будет заряжать большинство USB-устройств с выходом 5 В, 5 Вт, 1000 мА.

Батареи со встроенным огнетушителем

Литий-ионные батареи нередко перегреваются, загораются и даже могут взорваться.Аккумулятор в Samsung Galaxy Note 7 — яркий тому пример. Исследователи из Стэнфордского университета придумали литий-ионные батареи со встроенными огнетушителями.

В батарее есть компонент, называемый трифенилфосфатом, который обычно используется в качестве антипирена в электронике, добавленный к пластиковым волокнам, чтобы помочь разделить положительный и отрицательный электроды. Если температура батареи поднимается выше 150 градусов C, пластмассовые волокна плавятся и выделяется химический трифенилфосфат.Исследования показывают, что этот новый метод может предотвратить возгорание аккумуляторов за 0,4 секунды.

Майк Циммерман

Батареи, защищенные от взрыва

Литий-ионные батареи имеют довольно летучий слой пористого материала с жидким электролитом, расположенный между анодным и катодным слоями. Майк Циммерман, исследователь из Университета Тафтса в Массачусетсе, разработал батарею, которая имеет вдвое большую емкость, чем литий-ионные, но без присущих ей опасностей.

Батарея Циммермана невероятно тонкая, немного толще, чем две кредитные карты, и заменяет жидкость электролита пластиковой пленкой, которая имеет аналогичные свойства.Он может выдерживать прокалывание, измельчение и нагревание, так как он негорючий. Еще предстоит провести много исследований, прежде чем технология сможет выйти на рынок, но хорошо знать, что существуют более безопасные варианты.

Батареи Liquid Flow

Ученые из Гарварда разработали батарею, которая хранит свою энергию в органических молекулах, растворенных в воде с нейтральным pH. Исследователи говорят, что этот новый метод позволит батарее Flow работать исключительно долго по сравнению с нынешними литий-ионными батареями.

Маловероятно, что мы увидим эту технологию в смартфонах и т.п., поскольку жидкий раствор, связанный с батареями Flow, хранится в больших резервуарах, чем больше, тем лучше. Считается, что они могут быть идеальным способом хранения энергии, создаваемой решениями в области возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце.

Действительно, исследование Стэнфордского университета использовало жидкий металл в проточной батарее с потенциально отличными результатами, заявляя, что напряжение вдвое выше, чем у обычных проточных батарей. Команда предположила, что это может быть отличным способом хранения прерывистых источников энергии, таких как ветер или солнце, для быстрого выпуска в сеть по запросу.

IBM и ETH Zurich и разработали жидкостную проточную батарею гораздо меньшего размера, которая потенциально может быть использована в мобильных устройствах. Эта новая батарея утверждает, что может не только обеспечивать питание компонентов, но и одновременно охлаждать их. Обе компании обнаружили две жидкости, которые подходят для этой задачи, и будут использоваться в системе, которая может производить 1,4 Вт мощности на квадратный сантиметр, при этом 1 Вт мощности зарезервирован для питания батареи.

Zap & Go Карбон-ионный аккумулятор

Оксфордская компания ZapGo разработала и произвела первую угольно-ионную аккумуляторную батарею, которая уже готова к использованию потребителями.Углеродно-ионный аккумулятор сочетает в себе сверхбыструю зарядку суперконденсатора с характеристиками литий-ионного аккумулятора, при этом полностью пригодный для вторичной переработки.

Компания предлагает зарядное устройство powerbank, которое полностью заряжается за пять минут, а затем полностью заряжает смартфон за два часа.

Цинково-воздушные батареи

Ученые из Сиднейского университета считают, что они придумали способ производства воздушно-цинковых батарей, который намного дешевле, чем существующие методы.Цинково-воздушные батареи можно считать лучше литий-ионных, потому что они не загораются. Единственная проблема в том, что они полагаются на дорогие компоненты в работе.

Sydney Uni удалось создать воздушно-цинковую батарею без необходимости в дорогих компонентах, а с некоторыми более дешевыми альтернативами. Возможно, появятся более безопасные и дешевые батареи!

Умная одежда

Исследователи из Университета Суррея разрабатывают способ использования одежды в качестве источника энергии.Батарея называется трибоэлектрическими наногенераторами (TENG), которая преобразует движение в накопленную энергию. Накопленное электричество затем можно использовать для питания мобильных телефонов или устройств, таких как фитнес-трекеры Fitbit.

Эта технология может быть применена не только к одежде, она может быть интегрирована в тротуар, поэтому, когда люди постоянно ходят по ней, она может накапливать электричество, которое затем может использоваться для питания стальных ламп или в шинах автомобиля, чтобы он может привести машину в действие.

Растягиваемые батареи

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали растяжимый биотопливный элемент, который может вырабатывать электричество из пота.Говорят, что генерируемой энергии достаточно для питания светодиодов и радиомодулей Bluetooth, а это означает, что однажды она сможет питать носимые устройства, такие как умные часы и фитнес-трекеры.

Графеновая батарея Samsung

Компания Samsung сумела разработать «графеновые шары», которые способны увеличивать емкость существующих литий-ионных аккумуляторов на 45 процентов и заряжаться в пять раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Чтобы представить это в контексте, Samsung заявляет, что его новый аккумулятор на основе графена может быть полностью заряжен за 12 минут, по сравнению с примерно часом для текущего устройства.

Samsung также заявляет, что его можно использовать не только в смартфонах, но и в электромобилях, поскольку он может выдерживать температуру до 60 градусов по Цельсию.

Более безопасная и быстрая зарядка существующих литий-ионных аккумуляторов

Ученые из WMG из Университета Уорвика разработали новую технологию, которая позволяет заряжать существующие литий-ионные аккумуляторы в пять раз быстрее, чем рекомендуемые пределы. Технология постоянно измеряет температуру батареи намного точнее, чем существующие методы.

Ученые обнаружили, что нынешние батареи действительно могут выходить за пределы рекомендуемых пределов, не влияя на производительность или перегрев. Возможно, нам вообще не нужны другие упомянутые новые батареи!

Написано Крисом Холлом. Первоначально опубликовано 15 августа 2014 г. .

Три аккумуляторных технологии, которые могут стать источником энергии для будущего | Saft аккумуляторы

Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме.Наши стратегии по хранению энергии в настоящее время формируются литий-ионными батареями — передовыми технологиями, — но что мы можем ожидать в ближайшие годы?

Начнем с основ аккумуляторной батареи. Батарея представляет собой блок из одной или нескольких ячеек, каждая из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование различных химикатов и материалов для них влияет на свойства батареи — сколько энергии она может хранить и выводить, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз она может быть разряжена и перезаряжена (также называемая циклической емкостью).

Производители аккумуляторов постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и мощные химические продукты. Мы поговорили с директором Saft по исследованиям Патриком Бернардом, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с потенциалом преобразования.

ЛИТИЙ-ИОН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

ЧТО ЭТО?

В литий-ионных (Li-ion) батареях накопление и выделение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного к отрицательному электроду назад и вперед через электролит.В этой технологии положительный электрод действует как исходный источник лития, а отрицательный электрод — как хозяин для лития. Несколько химических элементов объединены под названием литий-ионные батареи в результате десятилетий выбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве настоящих положительных материалов. В качестве отрицательных материалов используются графит, а также оксиды графита / кремния или литированного титана.

Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология с учетом реальных материалов и конструкции элементов достигнет предела энергии. Тем не менее, недавние открытия новых семейств разрушающих активных материалов должны раскрыть существующие ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность. Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

Сегодня среди всех современных технологий хранения литий-ионные аккумуляторы обеспечивают самый высокий уровень плотности энергии. Такие характеристики, как быстрая зарядка или диапазон рабочих температур (от -50 ° C до 125 ° C), можно настроить с помощью большого выбора конструкции и химического состава элементов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также способность к циклическим нагрузкам, как правило, тысячи циклов зарядки / разрядки.

КОГДА МОЖНО ЭТОГО ОЖИДАТЬ?

Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто раньше первого поколения твердотельных аккумуляторов. Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морской, железнодорожный, авиационный и внедорожный транспорт), где высокая энергия, высокая мощность и безопасность являются обязательными.

ЛИТИЙ-СЕРНЫЙ

ЧТО ЭТО?

В литий-ионных батареях ионы лития хранятся в активных материалах, действующих как стабильные структуры хозяина во время заряда и разряда.В литий-серных (Li-S) батареях нет никаких структур-хозяев. Во время разряда литиевый анод расходуется и сера превращается в различные химические соединения; во время зарядки происходит обратный процесс.

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

В батарее Li-S используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

Saft выбрала и отдает предпочтение наиболее перспективной технологии Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и преодолевает основные недостатки Li-S на жидкой основе (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. Д.).

Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные аккумуляторы благодаря своей превосходной гравиметрической плотности энергии (+ 30% в Втч / кг).

КОГДА МОЖНО ЭТОГО ОЖИДАТЬ?

Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к созданию полномасштабных прототипов.

Ожидается, что для приложений, требующих длительного времени автономной работы, эта технология выйдет на рынок сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ

ЧТО ЭТО?

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологий. В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (также называемый ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития перемещаться внутри него.Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет — благодаря интенсивным исследованиям во всем мире — были обнаружены новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, аналогичные жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот конкретный технологический барьер.

Сегодня усилия Saft R&D сосредоточены на 2 основных типах материалов: полимеры и неорганические соединения, стремясь к синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…

В ЧЕМ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА?

Первое огромное преимущество — заметное повышение безопасности на уровне элементов и батарей: твердые электролиты негорючие при нагревании, в отличие от их жидких аналогов.Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с большой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения за счет снижения саморазряда. Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.

Поскольку батареи могут иметь высокое отношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.

КОГДА МОЖНО ЭТОГО ОЖИДАТЬ?

По мере продолжения технического прогресса на рынке, вероятно, появятся несколько типов полностью твердотельных батарей.Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем, более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Какие батареи будут питать будущее?

ХУАЙБЕЙ, КИТАЙ — 1 ФЕВРАЛЯ: Роботизированная рука работает на линии упаковки литиевой батареи на новом … [+] энергетическом заводе 1 февраля 2021 года в Хуайбэе, провинция Аньхой, Китай. (Фото Ван Шанчао / VCG через Getty Images)

VCG через Getty Images

Аккумуляторная технология может стать краеугольным камнем энергетического перехода, облегчая декарбонизацию транспортного сектора, обеспечивая критическую поддержку для прерывистой солнечной и ветровой генерации в производстве электроэнергии.Но широко используемый литий-ионный аккумулятор может не соответствовать задаче обеспечения будущего глобальной зеленой экономики.

Президент Джо Байден делает батареи компонентом своей стратегии углеродной нейтральности, предполагая, что внутреннее производство — вместо того, чтобы полагаться на китайский и корейский импорт — могло бы создать рабочие места. В настоящее время китайские компании, включая CATL, BYD и Hefei Guoxuan High-Tech, производят 79% аккумуляторов в мире. Отечественные производители уступают 7 % .Необходимость соревноваться очевидна.

Литий-ионный, или литий-ионный, сегодня является наиболее распространенной аккумуляторной технологией. Литий-ионные аккумуляторы отличаются высокой плотностью энергии по сравнению с более старыми никель-кадмиевыми батареями и отсутствием эффекта памяти, который приводит к потере емкости аккумуляторов при продолжительном использовании. «Саморазрядка» — при которой незначительные химические реакции в батарее с меньшей емкостью с течением времени минимальны в литий-ионной технологии.

По этим причинам в большинстве современных электромобилей (электромобилей) используются литий-ионные батареи той или иной формы.Тесла TSLA использует собственную химию литий-никель-кобальт-алюминий (NCA), в то время как литий-никель-марганец-кобальт (NMC) распространен в остальной части сектора электромобилей, производимой LG Chem и SK Innovation. Две корейские компании вовлечены в судебную тяжбу, причем первая обвиняет последнюю в краже интеллектуальной собственности. Решение Комиссии по международной торговле запретить импорт некоторых товаров из SK Innovation по этому поводу может нарушить цепочку поставок в Америке и переход Байдена к чистой энергии.

К сожалению, срок службы литий-ионных аккумуляторов по-прежнему невелик и значительно ухудшается в течение первых нескольких лет. За пять лет интенсивного использования батарея разряжается на 70–90% от первоначальной емкости. Литий-ионные батареи по-прежнему являются дорогостоящим средством получения энергии, при этом отраслевой стандарт колеблется в районе 137 долларов за киловатт-час (кВтч) в 2020 году. По слухам, ультрасовременные аккумуляторные батареи Tesla NCA будут стоить около 100 долларов за киловатт-час. При этом затраты прошли долгий путь: в 2010 году цены на батареи составляли 1100 долларов за кВтч, что на 90% ниже за десять лет.Но это снижение не будет устойчивым в ближайшее десятилетие.

Снижение стоимости батарей с течением времени в долларах за киловатт-час с учетом разницы между ячейками и батареями.

Bloomberg New Energy Finance

Согласно Bloomberg New Energy Finance, при цене 101 долл. / КВтч электромобили будут конкурентоспособны по цене с двигателями внутреннего сгорания. Ожидается, что этот порог будет превышен между 2023-2025 годами, но остаются вопросы, можно ли улучшить химический состав литий-ионных аккумуляторов после этого момента.

Производство аккумуляторов ограничивает поставки кобальта , из-за опасений по поводу того, является ли процесс добычи, в котором доминирует Демократическая Республика Конго (ДРК), экологически или социально ответственным. Производителям необходимо будет найти другие источники.

Также были зарегистрированы инциденты безопасности, которые заставили общественность бояться оружия, хотя фактические случаи перегрева литиевых батарей кажутся редкими по сравнению с количеством используемых. Это недостатки того, что не так давно было передовым.

Ученые считают, что будущее — за батарею стоимостью 50 долларов США за кВтч и ниже — лежит в другом месте.

Те, кто думает о долгосрочной перспективе, рассматривают твердотельные батареи как преемника литий-ионных. Исследования продолжаются, и прототипы находятся в разработке, но может пройти десятилетие, прежде чем твердотельное устройство станет доступным для общественного потребления: по оценкам экспертов, твердотельная технология будет стоить от ~ 800 до ~ 400 долларов / кВтч к 2026 году. Лидер отрасли QuantumScape (QS), испытала волатильность цен из-за сочетания высоких ожиданий и отсутствия доходов.

Тем не менее, энтузиасты энергии в восторге.

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы. Вместо перезаряжаемых жидких электролитов, которые можно найти в других местах, они используют более безопасные негорючие твердые электролиты. Твердые электролиты более энергоемкие, что обеспечивает более быструю зарядку, больший радиус действия и более длительный срок хранения. Батареи с более длительным сроком службы сокращают потребность в дорогостоящих системах хранения и снижают затраты на электроэнергию для потребителей. Они лучше переносят тепло, но работают и при очень низких температурах.

Неудивительно, что производители электромобилей стремятся к прорыву. Прямо сейчас у Tesla есть технология терморегулирования и электронного управления, что дает ей преимущество перед конкурентами. Устраняя температуру как уязвимость, твердотельные технологии могут позволить другим сократить расходы и конкурировать. Солидные компании и стартапы, такие как Ionic Materials и NEI Corp, финансируют исследования и разработки.

Toyota сделала аккумуляторные технологии своим приоритетом, рассматривая твердотельные батареи как решение для ограниченного диапазона и длительного времени зарядки, препятствующих широкому распространению электромобилей.Они надеются продать первый электромобиль с твердотельными батареями в этом десятилетии. Volkswagen Group имеет собственное партнерство с QuantumScape, и есть дополнительные проекты, поддерживаемые Ford, BMW и Mercedes-Benz, среди прочих.

Транспорт — не единственная отрасль, которая получит выгоду. Усовершенствованные аккумуляторы в смартфонах потенциально обеспечат до трех дней непрерывного использования без изменения дизайна или веса. Другие устройства, от ноутбуков до запоминающих устройств, аналогичным образом увеличивают продолжительность заряда.Это должно быть приятной новостью для потребителей и стран, стремящихся модернизировать свои электрические сети.

Президенту Байдену было бы разумно инвестировать в исследования, но правительственные лаборатории не должны выбирать победителей в области технологий — если только это не касается военных приложений. Развитие внутренней цепочки поставок компонентов аккумуляторных батарей и аккумуляторов будет иметь решающее значение для освобождения от китайской монополии в этом секторе. Только создавая новые, экономически жизнеспособные технологии, мы можем удовлетворить потребности развивающейся энергетики и преуспеть в преобразовании энергии.

При содействии Дэнни Томарес и Сары Моосави

Будущее аккумуляторов: от литий-кислородных к натриево-ионным

Будущее того, как мы производим, передаем и используем электроэнергию, во многом зависит от технологий хранения энергии.

Нынешняя электрическая сеть в США нестабильна, недофинансирована и неспособна продвинуть страну к экологически чистому энергетическому будущему. Чтобы использовать новые возобновляемые технологии, исследователи нацелены на разработку устройств хранения энергии, способных использовать огромное количество энергии для приложений, начиная от хранения в сети и заканчивая электромобилями.

Ю. Ширли Мэн, член ECS и профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего, ученый, стоящий на переднем крае энергетических технологий, является пионером передовых фундаментальных достижений, способных сделать большие прорывы в хранении энергии из лаборатории на рынок.

Погоня за страстями

Страсть Мэн к энергии подпитывалась ее любопытством к самолетам в юности. Стремление понять, как некоторые металлы могут быть такими легкими, но при этом такими прочными, изначально привело ее к материаловедению.Продолжая свое образование, Мэн начала исследовать сверхпроводящие оксиды и разрабатывать сложные оксиды для хранения энергии.

«После этого я узнал об электромобилях», — говорит Мэн, обладатель премии ECS Charles W. Tobias Young Investigator Award 2016 года. «Для меня они просто очаровательны. Я не люблю чайные сервизы; Я люблю машины ».

Решение проблемы изменения климата

Хотя интерес к энергетике и автомобилям, возможно, изначально подтолкнул Мэн к электромобилям и устойчивым энергетическим решениям, вскоре у нее возникла еще одна страсть, которая мотивировала ее к проведению фундаментальных исследований, которые могут помочь преобразовать энергетический и транспортный секторы: изменение климата.

Глобальное развитие промышленности и технологий в 20 ^-ом веке привело к значительному подъему в транспортном секторе, что привело к массовому потреблению ископаемого топлива. По данным Агентства по охране окружающей среды США, выбросы транспортного сектора составляют около 26 процентов всех парниковых газов в США.

( БОЛЬШЕ : слушайте больше дискуссий о хранении энергии, меняющейся сети и препятствиях на пути к возобновляемым источникам энергии.)

«Я понял, что использование электромобилей — один из ключей к решению проблем экологической устойчивости», — говорит Мэн.«Нет причин, по которым мы должны сжигать все это ископаемое топливо на миллионах автомобилей».

Создание крупномасштабного хранилища

Для Менга данные о последствиях изменения климата неоспоримы. В Калифорнийском университете в Сан-Диего она видит, как Институт океанографии Скриппса измеряет кривую килинга, создавая график, отображающий текущее изменение концентрации в атмосфере Земли, демонстрируя значительные свидетельства быстрого увеличения выбросов парниковых газов в атмосферу Земли.

«Через 55 лет вы увидите колоссальный рост уровня CO2, и ученые уже сказали, что повышение глобальной температуры на два градуса неизбежно, даже если мы внесем изменения сегодня», — говорит Мэн.

Несмотря на эти факты, Мэн по-прежнему уверен, что электромобили и чистая возобновляемая сеть будут более широко приняты обществом по мере развития науки, лежащей в основе хранения энергии.

«Солнечный свет бесплатен для всех, — говорит Мэн. «Если мы хотим сделать его незаменимым ресурсом для людей, нам нужно выяснить, как сделать возможным крупномасштабное хранение энергии.”

Nissan LEAF может проехать 100 миль без подзарядки и стоит от 29 000 долларов.
Изображение: Майкл Гил

Социологические барьеры

Технологические прорывы в хранении энергии превратили электромобили из чистого любопытства в доступные и эффективные автомобили. Однако технологические и социологические барьеры все еще существуют, не позволяя электромобилям оказывать еще большее влияние на рынок.

«Есть определенные проблемы, которые могут быть решены с помощью технологий — науки — и у меня есть возможность убедить людей в том, что эти электромобили — очень эффективные системы», — говорит Мэн.«Но есть вопросы. Например, мы называем это беспокойством по поводу дальности ».

Аккумуляторная технология, которая в настоящее время используется в электромобилях, не может превышать 300 миль на одной зарядке. Поскольку вы не можете подъехать к зарядной станции так же, как к заправочной станции, водители, как правило, испытывают беспокойство, особенно при поездках на большие расстояния.

Тем не менее, недавно опубликованное исследование показывает, что беспокойство по поводу дальности полета может быть скорее умственным, чем техническим, утверждая, что 87 процентов транспортных средств на дороге сегодня могут быть заменены электромобилями и удовлетворять или превышать средние ежедневные потребности водителя без подзарядки в течение дня. .

Преобразование сетки

В то время как транспортный сектор может занять второе место по выбросам парниковых газов, энергетический сектор занимает первое место. По мнению Менга, электромобили и экологически чистая энергетическая сеть идут рука об руку, способствуя устойчивости планеты, и оба имеют общий знаменатель — необходимые достижения в области хранения энергии.

Энергетическая сеть является центральным компонентом производства и использования энергии. Изменив способ производства энергии (т.е. переходя от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии), сама сеть меняется. Текущая электрическая сеть в США должна производить именно то, что потребляется в данный момент. Природа этой инфраструктуры создает огромные проблемы для непостоянных источников энергии, таких как солнце или ветер, которые нельзя контролировать, как ископаемое топливо. Если солнце сядет или перестанет дуть ветер, это может привести к серьезным отключениям. С другой стороны, чрезвычайно солнечные или ветреные дни могут производить избыток энергии, потенциально поджигая сеть, которая не оборудована для хранения колебаний энергии.

Именно здесь фундаментальные исследования в области накопления энергии играют ключевую роль.

Недавно Мэн и группа международных исследователей продемонстрировали увеличение плотности энергии в катодном материале батареи на 30-40 процентов за счет контроля активности кислорода. Новаторские достижения на фундаментальном уровне помогают в разработке более совершенных аккумуляторов и делают общество еще на один шаг ближе к разработке доступных и эффективных крупномасштабных решений для хранения данных.

Но Мэн не ставит все свои чипы на одну конкретную батарею, вместо этого она изучает все, от литий-ионных до натриевых, водяных проточных батарей и т. Д. — в полной мере используя возможности этих созревающих и новых батарей.

Новые аккумуляторные технологии

Например, литий-ионный аккумулятор

стал золотым стандартом в новейшей истории для хранения энергии всего, от смартфонов до автомобилей Tesla. Технология, коммерциализация которой приближается к 25 ^-й -й годовщине, неизменно показала себя многообещающей даже для крупномасштабных сетевых хранилищ благодаря своей долговечности и эффективности. Однако есть и другие многообещающие аккумуляторные технологии, которые, даже если в настоящее время у них нет рынка, по словам Менга, стоят затраченных усилий.

Первый литий-ионный аккумулятор был продан Sony в 1991 году.

«Всегда слышен голос, говорящий:« Рынка еще нет », — говорит Мэн. «Может быть, рынка и нет, но как ученый я думаю, что это прекрасная возможность, потому что наша задача как ученых — исследовать то, что промышленность не может пойти на риск».

По словам Менга, еще одной многообещающей перспективной технологией является натриево-ионная батарея.

«Мы хотим посмотреть, есть ли альтернативное решение для лития, потому что чего-то вроде натрия было бы больше», — говорит Мэн.«Натрий-ионные аккумуляторы работают при несколько более низком потенциале, что делает их практичными для хранения в сети, но не для электромобилей, поскольку их плотность энергии будет относительно низкой».

Альтернатива литию также была бы полезной, потому что она создала бы многогранную энергетическую инфраструктуру. В настоящее время многие страны зависят исключительно от ископаемого топлива для производства огромной части энергии. В политической сфере некоторые задаются вопросом, хотим ли мы перейти от полной зависимости от ископаемого топлива к полной зависимости от лития, если есть возможность разработать более разнообразный способ управления страной.

Литий-кислородные батареи

рассматривались как еще одна потенциальная альтернатива литий-ионной технологии.

«Существует множество противоположных взглядов на то, может ли литий-кислород быть перспективным, но я всегда помню, что ученым разрешено мечтать», — говорит Мэн.

Согласно Менгу, вам просто нужно взглянуть на таблицу Менделеева, чтобы увидеть, что и литий, и кислород являются очень легкими элементами, а это означает, что объединение этих двух элементов в единое устройство хранения энергии может привести к чрезвычайно высокой плотности энергии.Из-за этого сочетания малого веса и высокой эффективности многие обращаются к технологии литий-кислородных аккумуляторов для разработки электромобилей следующего поколения, способных преодолевать большие расстояния на одной зарядке.

«Если действительно сделать кислород пригодным для использования катодом, это будет фантастическая технология», — говорит Мэн. «Конечно, сейчас мы очень далеки от этого. Но если мы не будем инвестировать в исследователя, мы гарантируем, что этого никогда не произойдет ».

Новые батареи будущего: 7 недавних достижений

Подробнее об электронной мобильности читайте в этой статье.

В начале 2021 года Volkswagen и Quantumscape совершили прорыв в разработке твердотельных батарей. Ранее разработчики сталкивались с множеством препятствий в поисках подходящего сепаратора для твердотельных аккумуляторов. Различные испытанные сепараторы вызвали проблемы, которые привели к преждевременному выходу из строя батареи. Но теперь компания Quantumscape разработала керамический сепаратор, который имеет достаточную мощность, не вызывает проблем и может работать более 1000 циклов.

Итак, будущее для твердотельных аккумуляторов в секторе электромобилей выглядит многообещающим.Toyota также работает над разработками в этой области и хочет представить первую концепцию уже в 2021 году. Volkswagen заявляет, что к 2025 году будет производить собственные твердотельные батареи, а Nissan планирует выпустить прототип с использованием этой технологии к 2028 году.

3. Аккумулятор для хранения энергии

Мегабатареи

Все большее количество естественной энергии поступает от солнечных батарей и ветряных турбин, даже от морских приливов. # Устойчивое — ключевое слово для обозначения энергии.Однако где вы можете хранить всю зеленую энергию, которая не потребляется немедленно? Что касается супер-аккумуляторов, утверждает Tesla, которая в 2017 году построила в Австралии мега-литий-ионную батарею, рассчитанную на 100 мегаватт.

Это еще не все. В 2018 году настала очередь Бельгии с не менее мощной мегабатареей в Дилсен-Стоккеме, Лимбург. Первый в своем роде в Европе. В 2020 году Гент также получил мегабатарею для новых доков, которая должна обеспечить оптимальное управление потоками энергии для нового строительного проекта.Еще несколько проектов готовы к запуску во Фландрии. В основном они предназначены для поглощения основных колебаний в нашем потреблении электроэнергии и обеспечения стабильности сети. Это называется пиковым бритьем. До сих пор основным источником поставок была энергия газовых и гидроэлектростанций. Однако у них также есть свои ограничения с точки зрения скорости реакции на запросы рынка и предлагаемой мощности в киловаттах.

Аккумулятор как услуга (BaaS)

В автомобильной промышленности осторожно исследуются пределы использования «батареи как услуги».Электромобиль будет продаваться без аккумулятора. Как владелец электромобиля, вы должны арендовать аккумулятор, который соответствует вашим потребностям на тот момент. Например, если вы в основном совершаете короткие поездки, вы можете купить компактный аккумулятор с меньшим запасом хода. Если вам нужно проехать немного дальше, вы можете заменить аккумулятор на станции техобслуживания на аккумулятор большей емкости. Эта система уже работает на китайском автомобильном бренде NIO. Hyundai тоже разрабатывает систему лизинга аккумуляторов.

Однако у модели BaaS есть потенциал, выходящий за рамки автомобильной промышленности.В Дендермонде группа предпринимателей работает над уникальным энергетическим проектом. Они хотят создать энергетическое сообщество, в котором компании обмениваются энергией.

«Большинство предпринимателей уже сделали все возможное в своих компаниях с изоляцией, энергосбережением и солнечными батареями. Потенциал индивидуальных усилий в значительной степени исчерпан. Чтобы сделать следующий шаг, нам нужно действовать коллективно в энергетическом сообществе ». — Хуго Ван ден Броке, Ловитас (Де Тийд)

Несколько подобных проектов также появляются на международном уровне.В Финляндии DSO Elenia и Fortum представляют новую бизнес-модель, при которой компания-агрегатор инвестирует в систему аккумуляторов и предлагает эту систему в качестве услуги другим компаниям.

Домашние аккумуляторы

В нашей стране также растет популярность домашних аккумуляторов (например, Tesla Powerwall). Вероятно, они прорвутся и дальше — когда цена и срок окупаемости станут более демократичными.

В категории бытовых аккумуляторов мы также можем найти альтернативу литий-ионным аккумуляторам: аккумулятор с морской водой.Эта батарея более безопасна и экологична, но тяжелее и крупнее из-за низкой плотности энергии. Это разработка с большим потенциалом для нашей амбиции по поиску еще более экологичных решений для хранения энергии.

Бывшие в употреблении аккумуляторные батареи для электромобилей также могут использоваться для хранения энергии. Выброшенный литий-ионный аккумулятор из электрического автобуса или автомобиля, вероятно, может прослужить еще 7-10 лет для хранения собственной энергии, мы можем прочитать на bloomberg.com.

Как лучше всего подготовиться к растущему рынку бытовых аккумуляторов? Узнайте в этой статье.

Автомобильная промышленность делает ставку на аккумуляторы

«Сегодняшние аккумуляторы неконкурентоспособны, — сказал Джагдип Сингх, исполнительный директор QuantumScape, базирующейся в Сан-Хосе, Калифорния. — Аккумуляторы обладают огромным потенциалом и имеют решающее значение для экономики возобновляемых источников энергии. , но им нужно поправиться ».

По большей части, все деньги, вкладываемые в аккумуляторную технологию, — это хорошие новости. Он заставляет капитализм работать над решением глобальной проблемы. Но это изменение порядка в автомобильной промышленности также потребует некоторых жертв, таких как компании, которые производят детали для автомобилей и грузовиков с двигателями внутреннего сгорания, или автопроизводители и инвесторы, которые делают ставку на неправильные технологии.

«Инновации в аккумуляторных батареях не происходят в одночасье», — сказал Венкат Сринивасан, директор Центра сотрудничества Аргоннской национальной лаборатории по науке о хранении энергии. «Это может занять много лет. Может случиться всякое ».

Большинство экспертов уверены, что спрос на батареи расширит возможности Китая, который очищает большинство металлов, используемых в батареях, и производит более 70 процентов всех аккумуляторных элементов. По прогнозам немецкой консалтинговой фирмы Roland Berger, в течение следующего десятилетия, несмотря на амбициозные планы по расширению производства в Европе и США, контроль Китая над производством аккумуляторов лишь незначительно ослабнет.

Производство аккумуляторов имеет «глубокие геополитические разветвления», — сказал Том Эйнар Йенсен, исполнительный директор компании Freyr, которая строит завод аккумуляторов в северной Норвегии, чтобы использовать преимущества ветровой и гидроэнергетики в регионе. «Европейская автомобильная промышленность не хочет слишком полагаться на импорт из Азии в целом и Китая в частности», — добавил он.

Freyr планирует привлечь 850 миллионов долларов в рамках предполагаемого слияния с Alussa Energy Acquisition Corporation, подставной компанией, которая продавала акции до того, как у нее появились какие-либо активы.Сделка, о которой было объявлено в январе, даст Фрейру листинг на Нью-Йоркской фондовой бирже. Компания планирует производить аккумуляторы с использованием технологии, разработанной 24M Technologies в Кембридже, Массачусетс

. Первоочередной задачей отрасли является удешевление аккумуляторов. По словам г-на Сринивасана, батареи для электромобилей среднего размера стоят около 15 000 долларов, что примерно в два раза дороже, чем они должны быть для электромобилей, чтобы добиться массового признания.

Пионер в области аккумуляторов Акира Йошино о Tesla, Apple и электрическом будущем

Лауреат химии Акира Йошино выступает на пресс-конференции в Шведской королевской академии наук в Стокгольме, Швеция, 7 декабря 2019 года.Йонас Экстромер / информационное агентство TT / через REUTERS

24 августа (Рейтер) — Акира Йошино, со-лауреат Нобелевской премии по химии 2019 года за свою работу над литий-ионными аккумуляторами, может взять на себя ответственность за прорыв в автомобильной промышленности. и технологические отрасли.

Литий-ионные батареи составили первую за столетие серьезную конкуренцию ископаемому топливу и двигателям внутреннего сгорания для транспорта. Теперь он является почетным сотрудником японской химической компании Asahi Kasei, в которой он проработал почти 50 лет, и видит, что впереди еще большие прорывы, поскольку транспорт и цифровые технологии объединяются в одну отрасль и используют технологию литиевых батарей.

Ёшино рассказал Reuters о следующем поколении аккумуляторных батарей для электромобилей, о потенциале общих автономных электромобилей, которые могут заряжаться, о перспективах транспортных средств на водородных топливных элементах и ​​о возможности того, что Apple может возглавить конвергенцию автомобильной и информационной технологий. отрасли в будущей мобильности.

Вот отредактированная расшифровка стенограммы:

Reuters: Какие технические инновации — в дизайне, в химии и материалах, даже в процессах — могут сохранить литий-ионный ион в качестве доминирующего химического состава аккумуляторов электромобилей и на сколько дольше?

Ёшино: Есть два основных направления инноваций, которые могут стать ключевыми.Один из них — новые катодные и анодные материалы. Вторая — это система, в которой используется электромобиль. Другими словами, как люди будут использовать электромобили, как они будут их заряжать и разряжать.

Reuters: Вы говорите о людях, использующих электромобили по-разному? То есть не владение транспортными средствами, а оплата за использование, например, через райдшеринг?

Ёшино: Да, я думаю, что наибольший потенциал заключается в совместном использовании. Если автономные электромобили станут практичными, это приведет к огромным изменениям в способах использования транспортных средств людьми.

Reuters: Через какое время беспроводная зарядка аккумуляторов электромобилей станет реальностью, будь то через дорожное полотно, солнечные батареи на транспортном средстве или какие-либо другие средства?

Ёшино: Базовая технология беспроводной зарядки не проблема. Проблема в том, как применить это в практической системе. Есть две возможности. Один из них — автомобили, припаркованные в определенном месте, где доступна беспроводная зарядка. Второй — когда машина движется. Вероятно, это будет не на каждой дороге, но на некоторых дорогах, где это возможно, это возможно.

Если вы думаете об автономных электромобилях, они будут знать, когда им нужно заряжаться, и сами просто пойдут на зарядную станцию. Такая ситуация может иметь практическое значение раньше, чем вы думаете.

Reuters: Toyota и Honda продают небольшое количество электромобилей на топливных элементах, но до водородной инфраструктуры для поддержки топливных элементов, похоже, еще много лет.

Ёшино: С автомобилем на топливных элементах есть проблемы, связанные с технологиями и затратами, но вы можете их преодолеть.Если подумать о более долгосрочной перспективе, с 2030 по 2050 год, появятся автономные транспортные средства общего пользования. Гипотетически автономное транспортное средство может работать от бензинового двигателя, оно может быть электрическим, это может быть топливный элемент. Неважно, какой источник питания. Но ему нужно как-то восполнить свою энергию. Если автомобиль не может сделать это автоматически без вмешательства человека, система бессмысленна. То же самое можно сказать о бензине или водороде.

В этом смысле электромобиль — это тот автомобиль, который может автоматически заменять свою энергию.Если вы думаете о пылесосе Roomba, он ходит по комнате, перезаряжается. Если бы Roomba нуждался в человеке, который пришел и «заправил бак», никто бы не захотел покупать Roomba.

Reuters: Что еще мы должны знать о будущем мобильности?

Ёшино: Сейчас автомобильная промышленность думает о том, как инвестировать в мобильность будущего. В то же время ИТ-индустрия также думает о будущем мобильности. Где-то, когда-нибудь, с автомобильной промышленностью и ИТ-индустрией, произойдет некое сближение для будущего мобильности.