Перспективные аккумуляторы будущего: Аккумулятор 2030+: изобретение аккумуляторов будущего

Содержание

Проточные батареи (аккумуляторы) - почему за ними будущее

Изобретение проточных батарей — нового уникального источника хранения энергии, стало настоящим прорывом в промышленной отрасли. Почему их называют аккумуляторами будущего, где они применяются и чем лучше других накопителей энергии, мы подробно расскажем в данной статье.

Проточная батарея (аккумулятор) — что это такое и как работает

Проточная батарея (или проточная редокс-батарея) – тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух химических компонентов, растворенных в жидкости, содержащейся в системе и разделенной мембраной.

Ионный обмен, сопровождающийся движением электрического тока, происходит через мембраны, в то время как обе жидкости циркулируют в собственном отдельном пространстве.  Напряжение элемента определяется химически через уравнение Нернста и в практических отраслях колеблются от 1 до 2,2 Вт.

Проточная батарея может использоваться как топливный элемент (где извлекается потраченное топливо и добавляется новое), или как перезаряжаемая батарея (где источник электрической энергии запускает регенерацию топлива).

Хотя она обладает такими техническими преимуществами над традиционными перезаряжаемыми батареями, как потенциально отделяемые баки для жидкости и почти безграничный срок службы, на данный момент разработки обладают сравнительно меньшей мощностью и требуют большего количества сложной электроники.
Энергетическая емкость зависит от объема электролита (количества жидкого электролита), а мощность – от площади поверхности электродов.

Принцип построения

Проточная батарея – перезаряжаемая топливная ячейка, где электролит содержит один или больше растворенных электропроводящих элементов, протекающих сквозь гальванический элемент, который напрямую преобразует химическую энергию в электричество (электропроводящие элементы – «элементы в растворе, которые могут участвовать в реакции электрода, или которые могут быть адсорбированы электродом»).

Резервный электролит располагается снаружи, как правило – в емкости, и, как правило, закачивается через элемент (или элементы) реактора, хотя известны и системы подачи самотеком.

Проточные батареи могут быстро «перезаряжаться» путем замены жидкого электролита (наподобие заправки топливных баков для двигателей внутреннего сгорания), или синхронного восстановления затраченного материала для повторной подачи питания.

Другими словами, проточная батарея практически похожа на обычный гальванический элемент за исключением того, что ионный раствор (электролит) не сохраняется в элементе вокруг электродов. Чаще всего, ионный раствор хранится вне элемента и может подаваться туда для выработки электричества. Общий объем потенциально произведенной энергии зависит от размера емкостей для хранения.

Работа проточных батарей происходит по принципам, заложенным электрохимической технологией.

Типы батарей

Были разработаны различные типы проточных элементов (батарей), в том числе – редокс-батареи, гибридные и безмембранные. Фундаментальным отличием между стандартными батареями и проточными элементами является то, что энергия хранится не в материале электродов, как в стандартных батареях, а в электролите, как в проточных элементах.

Редокс-батареи

Редокс-элемент (окислительно-восстановительный элемент) – реверсивный элемент, где электрохимические компоненты растворены в электролите. Проточные редокс-батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами). Так как они работают чаще по принципу переноса разнозаряженных электронов, чем диффузии в твердом теле или внедрения, они, скорее всего, могут называться топливными элементами, а не батареями. В промышленной практике топливные элементы – обычное дело, и, как правило, первичные элементы типа системы h3/O2, не требуются.

Еще одним примером реверсивного топливного элемента является составной регенеративный топливный элемент, используемый на аппарате «Helios Prototype» от НАСА. Европейская патентная организация классифицирует проточные редокс-элементы (H01M8/18C4) как подкласс регенеративных топливных элементов (H01M8/18). Примерами проточных редокс-элементов являются ванадиевая проточная батарея, полисульфидно-бромидная батарея (Regenesys) и урановая проточная батарея.

Топливные редокс-элементы менее распространены в коммерческих масштабах, хотя предлагалось большое количество подобных систем.

Был продемонстрирован прототип полийодно-цинковой проточной батареи с плотностью 167 Вт*ч/л. Более старые бромидно-цинковые элементы достигают плотности в 70 Вт*ч/л. Для сравнения, литий-железо-фосфатные батареи накапливают 233 Вт*ч/л энергии.

Заявляется, что полийодно-цинковая батарея безопаснее, чем другие проточные батареи благодаря отсутствия кислотных электролитов, негорючесть и рабочий диапазон температур от -4 до 122F (от -20 до 50C), что убирает потребность во внешней охлаждающей схеме, которая бы дала лишнюю массу и заняла место. Нерешенной проблемой остается то, что цинк оседает на негативном электроде, пропитывая мембрану и уменьшая КПД.

Из-за роста дендритов цинка галоидно-цинковые батареи не могут работать при высокой плотности электрического тока (свыше 20 мА/см2), что, таким образом, ограничивает емкость энергии. Добавление спирта в электролит йодно-цинковой батареи частично помогает решить проблему.

При полной разрядке батареи обе емкости содержат одинаковый раствор электролита: смесь положительно заряженных ионов цинка (Zn2+) и отрицательно заряженных ионов йода, I- . При заряде одна из емкостей содержит еще один отрицательно заряженный ион йода – полийодид (I3-). Батарея производит энергию, закачивая жидкость из внешних емкостей в сечение канала батареи, где жидкости смешиваются. Внутри канала ионы цинка проходит через селективную мембрану и превращается в металлический цинк в отрицательной клемме сечения канала.

Чтобы увеличить энергетическую емкость йодно-цинковой проточной батареи, ионы бромида (Br-) используются в качестве комплексообразующего агента для стабилизации свободного йода, формируя ионы бромистого йода (I2Br-) для освобождения ионов йода для хранения заряда.

Стандартные химикаты проточной батареи обладают как низкой удельной энергией (которая делает их слишком тяжелыми для полноразмерных электромобилей), так и малой удельной мощностью (которая делает ее слишком дорогой для стационарного накопления энергии).

Однако была продемонстрирована высокая мощность (в 1,4 В/см2) для бромо-водородных проточных батарей, а броматно-водородные проточные батареи показали удельную энергию в 530 Вт*ч/кг на уровне емкости.

Одна из систем использует органические полимеры и солевой раствор с целлюлозной мембраной. Прототип был способен выдержать 10 000 циклов зарядки при сохранении значительной доли емкости. Плотность энергии составляла 10 Вт*ч/л. Плотность тока достигала 100 мА/см2.

Гибридные батареи

Гибридная проточная батарея использует один и более электропроводящих компонентов, оседающих как твердый слой. В этом случае гальванический элемент содержит один электрод батареи и один электрод топливного элемента. Этот тип ограничен в производстве энергии из-за площади поверхности электрода. Среди гибридных батарей – цинк-бромные, цинк-цериевые и свинцово-кислые проточные батареи.

Безмембранные батареи

Безмембранные батареи основаны на принципе ламинарного потока, где две жидкости перекачиваются через канал.

Они проходят через электрохимические реакции для хранения и высвобождения энергии. Растворы перетекают параллельно и немного смешивается. Поток легко разделяет жидкости, устраняя потребность в мембране.

Мембраны часто – самый дорогостоящий и ненадежный компонент батарей, так как они могут ржаветь при повторном воздействии определенных реагентов. Отсутствие мембран позволяет использовать раствор жидкого брома и водорода. Это сочетание проблематично при использовании мембран, потому что они образуют бромистоводородную кислоту, которая может разрушить мембрану. Оба материала доступно по низкой цене.

Концепт использует маленький канал между двумя электродами. Жидкий бром перетекает через канал над графитовым катодом, а бромистоводородная кислота – под пористым анодом. В то же время газообразный водород протекает через анод. Химическая реакция может быть обращена для перезарядки батареи – новация для безмебранных батарей. Одна из таких безмембранных проточных батарей была продемонстрирована в августе 2013 года.

Ее максимальная емкость энергии составляет 7950 Вт/м2 — в три раза больше, чем у других безмембранных систем – а ее размеры — гораздо больше, чем у ионно-литиевых батарей.

Компания «Primus Power» разработала запатентованную технологию для своей цинк-бромной проточной батареи – типа проточной редокс-батареи, для устранения потребности в мембране или сепараторе, что уменьшает цену и количество ошибок. Безмембранная проточная редокс-батарея от этой компании работает в сооружениях США и Азии, а появление изделия второго поколения обещалось на 21 февраля 2017 года.

Органические батареи

По сравнению с традиционными водными неорганическими проточными редокс-батареями, как-то ванадиевые или бромисто-цинковые, которые были разработаны десятки лет назад, органические проточные редокс-батареи появились в 2009 году и подавали большие надежды в плане уменьшения главных недостатков, предотвращающих экономическое и экстенсивное сворачивание разработок традиционных неорганических проточных редокс-батарей.

Главной заслугой органических проточных редокс-батарей являются изменяемые окислительно-восстановительные свойства редокс-активных компонентов.

В дальнейшем органические проточные редокс-батареи можно разделить на две категории: Водные Органические Проточные Редокс-Батареи (ВОПРБ) и Неводные Органические Проточные Редокс-Батареи (НВОПРБ).

ВОПРБ используют воду в качестве электролита, а НВОПРБ используют органические растворители для растворения редокс-активных материалов.

В зависимости от использования одного или двух органически редокс-активных материалов в качестве анода и/или катода, ВОПРБ и НВОПРБ можно разделить на исключительно органические системы и гибридные органические системы, использующие неорганические материалы в качестве анода или катода. Экспериментальная версия ВОПРБ произошла раньше, чем НВОПРБ.

В случае накопления энергии в промышленных масштабах, ВОПРБ обладает потенциалом куда большим, чем НВОПРБ, так как первые – дешевле, лучшие эксплуатационные характеристики и производительность, а также – преимущества водных электролитов в области безопасности над неводными.

НВОПРБ могут быть применены в ограниченных специальных отраслях за счет более высокой плотности энергии по сравнению с ВОПРБ, несмотря на большее количество проблем безопасности, стоимость органических растворителей, вызванные радикалами побочные реакции, смешение электролитов и ограниченный срок службы. Данные ниже демонстрируют, в основном, особенности ВОПРБ.

Основой некоторых ВОПРБ являются хиноны. В одном исследовании в качестве катодов использовались 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота и 1,4- дигидробензохинон-2-дисульфокислота, а анолитом в кислотном ВОПРБ служило соединение Pb/PbSO4.

Первые ВОПРБ были гибридными системами, так как они используют органические редокс-активные материалы только для катода. Хиноны принимают две единицы электрического заряда, в сравнении с одной в традиционном католите, что подразумевает, что такая батарея может хранить в два раза больше энергии при аналогичном объеме.

9,10-антрихинон-2,7-дисульфокислота, как и хинон, также была оценена по достоинству.

Это соединение подвергается быстрому обратимому восстановлению двух электронов/двух протонов в электроде из стеклоуглерода, погруженного в серную кислоту.

Водная проточная батарея с недорогими углеродными электродами, сочетающая хиноновую/гидрохиноновую пару с окислительно-восстановительную пару Br2/Br- , вырабатывают пиковую гальваническую удельную мощность свыше 6 000 Вт/м2 при 13 000 А/м2. Циклирование показывает сохранение емкости за цикл на уровне свыше 99 %. Удельная энергия за единицу объема достигала 20 Вт*ч/л. Антрахинон-2-дисульфокислота и антразинон-2,6-дисульфокислота на отрицательном полюсе и 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота на положительном полюсе предотвращают образование опасного брома.

Несмотря на отсутствие опубликованной официальной информации, заявлялось о том, что батарея после тысячи циклов не показала тенденции к ухудшению свойств. Несмотря на то, что эта целиком органическая система оказалась громоздкой, она обладает небольшим напряжением элемента (около 0,55 В) и малой плотностью энергию (менее 4 Вт*ч/л. ).

Бромистоводородная кислота, используемая в качестве электролита, была замещена гораздо менее токсичным щелочным раствором (1 моль/литр гидроксида калия) и ферроцианидом. Более высокий pH дает меньшую коррозию, что позволяет использовать недорогие полимерные емкости. Увеличившееся электрическое сопротивление в мембране компенсируется ростом напряжения.

Напряжение элемента составило 1,2 В. КПД элемента превышает 99 %, в то время как цикличный КПД равен 84 %. Батарея обладает ожидаемым сроком службы, как минимум, в 1 000 циклов. Теоретическая плотность энергии составила 19 Вт*ч/л. Химическая стабильность ферроцианидов в растворе гидроксида калия с высоким pH без формирования гидроксида железа (II) и гидкросида железа (III) должна быть проверена, прежде чем пойти в промышленность.

Другая органическая ВОПРБ показала работу параквата в качестве анолита, а 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил – в качестве католита, а также – соль и дешевая мембрана обмена анионов для обеспечения заряда и разряда. Эта система класса «MV/TEMPO» обладает наибольшим напряжением элемента (1,25 В) и, возможно, наименьшими капитальными затратами (180 долларов/кВт*ч) для класса ВОПРБ.

Жидкие электролиты на водной основе были разработаны как случайная замена для нынешних систем без замены существующей инфраструктуры. Тестовая 600-мВ батарея была способна работать после 100 циклов с КПД около 100 %, плотность тока достигает 20-100 мА/см2, а оптимальная характеристика оценивается на уровне 40-50 мА, что позволяет сохранить примерно 70 % изначального напряжения батареи.

Важность исследований состоит в том, что нейтральные ВОПРБ будут гораздо безопаснее для окружающей среды, чем кислотные или щелочные аналоги, хотя они показывают электрохимические свойства, сравнимые с коррозийными кислотными или щелочными ПРБ.

ВОПРБ типа «MV/TEMPO» обладают плотностью энергии 8,4 Вт*ч/л с ограничением на полюсе «TEMPO». Следующий шаг – определение высшей емкости католита, подходящей для «MV» (растворимость в воде – примерно 3,5 М/л, 93,8 А*ч/л).

Один из концептов проточной батареи основан на редокс-активных органических полимерах, использующих паракват и TEMPO с диализными мембранами. Полимерная проточная редокс-батарея (ППРБ) использует функционализированные макромолекулы (схожие с органическим стеклом или пенопластом), растворенные в воде, выступающей в качестве активной среды и для анода, и для катода.

Таким образом, металлы и сильно коррозионные электролиты – типа солей ванадия в серной кислоте – уже не используются, и можно использовать простые диализные мембраны. Мембрана, разделяющая катод и анод в проточной ячейке, работает как фильтр и гораздо проще и дешевле в производстве, чем обычные ионоселективные мембраны. Она сохраняет крупные полимерные «спагетти-подобные» молекулы, хоть и позволяет пройти мелким противоионам.

Концепт может решить проблему дороговизны стандартной мембраны на основе полифторэтилена с боковыми сульфогруппами, но разработка и синтез редокс-активных полимеров с высокой растворимостью в воде – нестандартная задача.

Металлогидридные батареи

Протонные проточные батареи (ППБ) включает топливный элемент, состоящий из металлогидридного накопительного электрода в реверсивной мембране протонного обмена. Во время зарядки, ППБ сочетает ионы водорода, произведенные после разложения воды, с электронами и частицами метала в одном электроде топливного элемента. Энергия хранится в форме твердого металлогидрида. Разрядка производит электричество и воду, когда процесс обращается вспять, а протоны сочетаются с кислородом из окружающей среды. Могут применяться металлы, гораздо более дешевые, чем литий, и обеспечивать большую плотность энергии в сравнении с литиевыми элементами.

Батареи с сетью наночастиц

Серно-литиевая система, которая была смонтирована в сеть наночастиц, устраняет потребность в том, чтобы заряд двигался к частицам и от них, которые находятся в прямом производстве с проводящей пластиной. Вместо этого сеть наночастиц позволяет электричеству протекать сквозь жидкость. Это позволяет извлекать больше энергии.

Полутвердые батареи

В полутвердых проточных батареях, аноды и катоды состоят из частиц, подвешенных в жидкости-носителя. Суспензии для положительных и отрицательных полюсов хранятся в отдельных емкостях и перекачиваются по отдельным трубопроводам в ряд смежных реакционных камер, где они разделяются барьером типа тонкой пористой мембраны. Подход сочетает основную структуру проточных батарей на водной основе, использующих электродный материал, подвешенный в жидком электролите, с химией ионно-литиевых батарей с безуглеродными суспензиями и жидкими растворами с проводящей углеродной сетью. Безуглеродной полутвердой проточной редокс-батареей также иногда называется проточная редокс-батарея с твердой суспензией. Растворение материала сильно меняет ее химический процесс. Однако, взвешенные частицы твердого материала сохраняют характеристики твердого тела. В результате появляется вязкая суспензия, текущая как меласса.

Преимущества и недостатки

Проточные редокс-батреи и менее распространенные гибридные проточные батареи обладают преимуществами в плане гибкости компоновки (благодаря разделению активных составляющих), длительности срока службы (так как там не происходит фазовых переходов их твердого состояния в твердое), скорости времени отклика, отсутствия потребности в «уравнивании» заряда (перезарядка батареи для обеспечения равным зарядом всех элементов) и отсутствия вредных выбросов. Некоторые типы также предлагают легкое изменение заряда (через зависимость напряжения от заряда), низкую стоимость обслуживания и допуск перезарядки и переразряду. В сравнении с твердыми перезаряжаемыми батареями типа ионно-литиевых, проточные редокс-батареи, а также – их аналоги на водной основе, в частности, могут работать при больших напряжении и плотности энергии. Эти технические достоинства делают проточные редокс-батареи отличным вариантом для хранения энергии в промышленных масштабах.

В качестве недостатка выступает плотность энергии, которая, хоть и сильно отличается, но все же ниже, чем у портативных батарей типа ионно-литиевых.

Также в сравнении с нереверсивными топливными элементами или электролизерами, использующими простые электролитические соединения, проточные батареи, в основном, обладают несколько меньшим КПД.

Развитие и экономия, идущая от лабораторий к промышленным предприятиям, продолжается и сегодня. Стоимость компонентов – один из важных аспектов этого процесса. В лаборатории было продемонстрировано серно-кислородно-солевое соединение.

Отрасли применения

Проточные батареи в большинстве случаев нужны для относительно крупных (1 кВт*ч – 10 МВт*ч) стационарных сооружений. Здесь присутствуют следующие отрасли:

  1. Выравнивание нагрузки, где батарея, соединенная с электрической сетью, накапливает избыточное электричество во внепиковые периоды и высвобождает его в периоды пиковой потребности. Общая проблема, которая ограничивает использование большинства химических веществ в проточных батареях – их низкая площадная мощность (рабочая плотность тока), которая приводит к высокой стоимости энергии;
  2. Хранение энергии из возобновляемых источников типа ветряной или солнечной для разрядки во время периодов пиковой потребности;
  3. Ограничение пика нагрузки, где его удовлетворяет батарея;
  4. Бесперебойное питание, где батарея используется в случае, если главный источник энергии не может обеспечить ее непрерывную подачу;
  5. Преобразование энергии, так как все элементы содержат один и тот же электролит(ы). Следовательно, электролит(ы) могут быть заряжены с использованием определенного числа элементов и разряжаться с его изменением. Так как напряжение батареи пропорционально количеству используемых в батарее элементов, следовательно, она может быть крайне мощным преобразователем постоянного тока. К тому же, если постоянно изменяется число элементов (на стороне входа и/или стороне выхода), также может происходить преобразование переменного тока в постоянный, переменного тока или постоянного тока в переменный с частотой, ограниченной коммутационным оборудованием;
  6. Электромобили – так как проточные батареи можно быстро перезарядить, заменив электролит, они могут использоваться там, где транспорту требуется взять энергию так же быстро, как и транспорту с ДВС. Обшей проблемой, связанной с большинством химикатов в ПРБ при применении их в электромобилях – низкая плотность энергии, что приводит к короткому запасу хода. Проточные батареи на основе высокорастворимых галогенатов являются исключением, достойным внимания.
  7. Автономные электростанции – Примером такого применения являются автоматические телефонные станции, где не требуется электросеть. Батарея может использоваться вместе с солнечными или ветряными источниками энергии для компенсации колебаний уровня мощности или вместе с генераторами для максимального увеличения КПД и сохранения топлива. На данный момент, проточные батареи используются в солнечных микрогридах по всем Карибским островам.
Загрузка...

Японцы планируют протестировать новый тип аккумуляторов на Луне

Новый тип аккумуляторных батарей, все еще находящийся в разработке на Земле, может отправиться на Луну уже в 2021 году на борту коммерческого космического корабля. Японский стартап ispace планирует первым испытать твердотельную батарею на поверхности Луны в надежде, что эта новая технология поможет решить проблему хранения энергии вне привычного нам мира.

Страны и компании, такие как ispace, стремятся отправить роботов и людей на Луну — и им понадобится энергия для питания их роверов, станций и другого электронного оборудования, как только они туда доберутся. Солнечная энергия — не всегда идеальный вариант, потому что некоторые области лунной поверхности остаются без солнечного света неделями. В те «темные дни» температура сильно падает, поэтому поиск батарей, способных выдерживать экстремальные скачки температуры и при этом эффективно накапливать энергию, может стать большим благом для исследования Луны.

Твердотельные батареи могут быть перспективным решением. Это широко разрекламированная версия традиционных литий-ионных аккумуляторов, которые можно найти в смартфонах, Tesla, и, по сути, почти во всем, что имеет аккумулятор. Li-ion аккумуляторы используют легковоспламеняющуюся жидкость, называемую электролитом, через которую заряженные частицы (ионы) перемещаются между двумя электродами, катодом и анодом. К сожалению, эта жидкость может вызвать проблемы даже здесь, на нашей планете: при высоких температурах электролиты вскипают и взрывают аккумуляторы, а при низких замерзают, из-за чего аккумулятор перестает держать заряд.

В твердотельных же батареях электролит представляет собой твердый материал, что делает возможным создание более компактных «слоеных» аккумуляторов. Но, что более важно — такой тип перезаряжаемых батарей имеют большую емкость при том же объеме и заряжаются быстрее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы. Также, теоретически, они могут лучше пережить резкие перепады температуры на Луны — от 127 градусов по Цельсию на солнце и до -173 градусов в тени. 

Такая батарея не сможет взорваться на Луне, так как температура плавления твердого электролита куда выше, чем температура кипения жидких электролитов. С другой стороны, сильный холод может заставить твердотельные батареи заряжаться медленнее, но они, по крайней мере, сохранят часть заряда, в то время как типичная литий-ионная батарея будет полностью недееспособна.


Сравнение обычной Li-ion батареи с твердотельной.

Предлагаемые лунные батареи будут изготовлены ​​японской компанией NGK Spark Plug. Компания еще не уточнила их точные характеристики, но говорит, что в ней будет использоваться керамический электролит (керамика — один из самых популярных материалов для создания твердых электролитов, потому что она достаточно стабильна). План состоит в том, чтобы провести несколько очень простых испытаний, чтобы выяснить, сможет ли батарея выжить и удержать заряд в вакууме космического пространства на Луне. По словам представителя NGK Spark Plug, удачный эксперимент «расширит возможности» использования аккумуляторов в космосе.

Однако Рао Сурампуди, руководитель отдела по разработке систем питания в Лаборатории реактивного движения НАСА и автор нескольких отчетов о накоплении энергии в космосе, настроен скептически: по его словам, в использовании твердотельных аккумуляторов в космосе нет ничего нового. «Мы начали работу над твердотельными батареями в 1991 году», — говорит он. «Мы все еще работаем над ними».

Основная проблема заключается в том, что срок службы твердотельных батарей (то есть, сколько раз вы можете заряжать батарею до ее смерти) невероятно ограничен. Это будет очень некстати в космосе, где миссии зачастую длятся годами и даже десятилетиями. «Вы можете заменить аккумулятор на своем автомобиле или мобильном телефоне, но вы не можете вернуться и заменить аккумулятор на космическом корабле», — добавляет Сурампуди.

Короткий жизненный цикл также является одной из причин, почему твердотельные батареи слабо используют и здесь, на Земле. Многие компании пытаются их коммерциализировать, но пока что вы все равно не можете купить твердотельный аккумулятор для своего смартфона или электромобиля. Прямо сейчас есть возможность производить только маленькие твердотельные батареи, срок службы большинства из которых составляет всего 18 месяцев при постоянном использовании. Они также невероятно дороги из-за отсутствия массового производства. «Последние лет пять сроки выхода на рынок постоянно сдвигают на пару лет вперед, и инвесторы становятся все более нетерпеливыми в ожидании прогресса при создании твердотельных батарей», — говорит аналитик Йен МакКленни из Navigant Research, специализирующаяся на исследованиях аккумуляторов. На самом деле, МакКленни считает, что твердотельные батареи не будут коммерчески выгодным вариантом до начала или середины 2020-х годов.

Сурампуди считает, что все еще хуже. По его словам, технологии создания твердотельных батарей все еще незрелые, и, вероятно, потребуется от 5 до 10 лет, чтобы их усовершенствовать для более практического применения. И это при условии, что мы «вкладываем 100 миллионов долларов», чтобы продвигать дальнейшие исследования, добавляет он.

Между тем, можно спроектировать традиционные литий-ионные батареи так, чтобы они хорошо работали в космосе. Многочисленные аккумуляторы такого типа используются на борту Международной космической станции, и они изготовлены таким образом, что любые неожиданные взрывы не причинят вреда космонавтам и не поставят под угрозу безопасность. Сурампуди также помогал разработать традиционный Li-ion аккумулятор для марсианского ровера Opportunity, который смог проработать больше 15 лет, выдержав 5000 циклов перезарядки с потерей всего 15% емкости. Его команда создала специальные системы управления температурным режимом, чтобы помочь батареям справиться с теплом и холодом, и провела испытания этих батарей в течение трех лет при экстремальных температурах.

Но это не значит, что развитие остановится на литий-ионных батареях. «Пришло время заменить литий-ионные аккумуляторы», — говорит Сурампуди. «Мы должны найти следующую лучшую батарею. Но разработка новых батарей не легка, потому что все простые технологии уже давно используются».

Посмотрим, что произойдет, когда твердотельная батарея, разработанная NGK Spark Plug, попадет в космос и пройдет, по крайней мере, несколько лет. ispace планирует запустить свою первую миссию — лунный орбитальный аппарат — на борту ракеты SpaceX Falcon 9 в 2020 году. Если все пройдет удачно, то компания запустит комбинированные спускаемый аппарат и луноход (который будет нести твердотельную батарею) на другом Falcon 9 в 2021 году. 

В конечном счете, долгосрочное видение ispace заключается в создании процветающего устойчивого сообщества на Луне, где люди живут и взаимодействуют с автоматическими космическими кораблями. Для того, чтобы это было возможно, стартапу нужно будет придумать несколько инновационных решений для хранения энергии. Твердотельные аккумуляторы могут стать частью этого будущего, но пройдет некоторое время, прежде чем это станет возможно.

Перспективные типы аккумуляторных батарей

Удельная энергоемкость современных литий-ионных батарей достигает 200 Вт*ч/кг. В среднем этого хватает лишь на 150 километров пробега без подзарядки, что не идет ни в какое сравнение с пробегом на одной заправке автомобилей с обычным ДВС. Чтобы электромобили стали массовыми, они должны иметь сопоставимый пробег. Для этого нужно довести удельную энергоемкость батарей хотя бы до 350-400 Вт*ч/кг. Описанные ниже перспективные типы батарей смогут ее обеспечить, хотя в каждом случае есть свои “но”.

Содержание статьи

Литий-серные батареи

Сравнительные характеристики Li-S и Li-ion батарей

Литий-серные батареи отличает большая удельная емкость, которая является следствием того, что в процессе химической реакции каждая молекула отдает не один, а два свободных электрона. Их теоретическая удельная энергия составляет 2600 Вт*ч/кг. Кроме того, такие батареи существенно дешевле и безопаснее литий-ионных.

Базовая Li-S батарея состоит из литиевого анода, серно-углеродного катода и электролита, через который проходят ионы лития. При разряде происходит химическая реакция, в ходе которой литий анода превращается в сульфид лития, осаждающийся на катоде. Напряжение батареи составляет от 1,7 до 2,5 В, в зависимости от степени разряда батареи. Полисульфиды лития, образующиеся в ходе реакции, оказывают влияние на вольтаж батареи.

Химическая реакция в батарее сопровождается рядом негативных побочных явлений. Когда сера катода поглощает ионы лития из электролита, образуется сульфид лития Li2S, который осаждается на катоде. При этом его объем увеличивается на 76%. При заряде происходит обратная реакция, приводящая к уменьшению размеров катода. Вследствие этого катод испытывает значительные механические перегрузки, приводящие к его повреждению и потере контакта с токоприемником. Кроме того, Li2S ухудшает электрический контакт в катоде между серой и углеродом (путь, по которому движутся электроны) и препятствует протеканию ионов лития к поверхности серы.

Другая проблема связана с тем, что в процессе реакции между серой и литием Li2S образуется не сразу, а через серию превращений, в ходе которых образуются полисульфиды (Li2S8, Li2S6 и др.). Но если сера и Li2S нерастворимы в электролите, то полисульфиды – наоборот, растворяются. Это приводит к постепенному уменьшению количества серы на катоде. Еще одна неприятность – появление шероховатостей на поверхности литиевого анода при прохождении больших разрядных и зарядных токов. Все это, вместе взятое, приводило к тому, что такая батарея выдерживала не более 50-60 циклов разряда-заряда и делало ее непригодной для практического использования.

Нанокомпозитный катод Li-S батареи

Однако последние разработки американцев из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволили преодолеть эти недостатки. Ими создан уникальный катод из нанокомпозитного материала (оксида графена и серы), целостность которого поддерживается с помощью эластичного полимерного покрытия. Поэтому изменение размеров катода в ходе разряда-заряда не приводит к его разрушению. Для защиты серы от растворения применяется ПАВ (поверхностно активное вещество). Так как ПАВ является катионным (т.е. притягивается к поверхности слоя серы), оно не препятствует литиевым анионам реагировать с серой, но не позволяет образовавшимся при этом полисульфидам растворяться в электролите, удерживая их под своим слоем. Также разработан новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды. Ионная жидкость и намного безопаснее – она не горит и почти не испаряется.

В результате всех описанных нововведений значительно повышается производительность батареи. Ее начальная удельная энергия составляет 500 Вт*ч/кг, что более чем в два раза превышает показатель Li-ion батарей. После 1500 20-часовых циклов разряда-заряда (С=0,05) ее удельная энергия снизилась до уровня свежей Li-ion батареи. После 1500 1-часовых циклов (С=1) снижение составило 40-50%, но батарея по-прежнему сохранила работоспособность. Когда же батарею испытывали при большой мощности, подвергая 10-минутному циклу разряда-заряда (С=6), то даже после 150 таких циклов ее удельная энергия превышала удельную энергию свежей Li-ion батареи.

Предполагаемая цена такой Li-S батареи не превысит 100$ за каждый кВт*ч емкости. Многие инновации, предложенные командой исследователей из Беркли, могут быть использованы и для улучшения существующих Li-ion батарей. Для создания практической конструкции LiS батареи разработчики ищут партнёров, которые профинансируют окончательную ее доводку.

Литий-титанатовые батареи

Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие. Новая технология предполагает значительное сокращение “бесполезных” материалов в конструкции аккумулятора.

Новейшие литий-титанатовые батареи помогли преодолеть еще один недостаток Li-ion аккумуляторов – их недолговечность и длительность подзарядки. В ходе исследований было обнаружено, что при зарядке большими токами ионы лития вынуждены «продираться» между микропластинками графита, тем самым постепенно разрушая электроды. Поэтому графит в электродах заменили структурами из наночастиц титаната лития. Они не мешают движению ионов, что в итоге привело к фантастическому увеличению срока службы – более 15000 циклов в течение 12 лет! Время зарядки с 6-8 часов сокращается до 10-15 минут. Дополнительные преимущества – термостабильность и меньшая токсичность.

По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке. При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних – всего 250 долл. за кВт/ч.

Литий-воздушные батареи

Схема работы литий-воздушного аккумулятора

Технологии не стоят на месте, и ученые уже работают над созданием практической конструкции литий-воздушного (LiO2) аккумулятора. Его теоретическая энергетическая емкость выше в 8-10 раз, чем у литиево-ионного. Для того чтобы уменьшить вес батареи, сохранив при этом, или даже увеличив ее емкость, ученые предложили радикальное решение – отказ от традиционного катода: литий будет взаимодействовать непосредственно с кислородом из воздуха. Благодаря каталитическому воздушному катоду предполагается не просто увеличить энергоемкость аккумулятора, но и уменьшить почти во столько же раз его объем и вес.

Для массового производства литий-воздушная технология требует решения множества технических и научных задач, среди которых создание эффективного катализатора, литиевого анода и стабильного твердого электролита, способного работать при низких температурах (до -50C). Кроме того, нужно разработать технику нанесения катализатора на поверхность катода, создать мембрану, которая бы предотвращала проникновение кислорода на литиевый анод, а также разработать методы изготовления специальных пористых электродов.

Химия и ток

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Wikimedia commons

Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки


Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H+, ионы лития Li+ или ионы кислорода O2-.

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

econet.ru

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O2–, как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.


Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.


* * *

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Александр Дубов

Разрабатываем батарею будущего

Исследование аккумуляторов в CLS на канале IDEAS.

Поиск аккумуляторов следующего поколения побудил исследователей синхротрона Canadian Light Source попробовать новые методы и материалы, которые могли бы привести к разработке более безопасных, дешевых, более мощных и долговечных источников питания, которые будут использоваться почти в все, от автомобилей до телефонов.

«Обычно исследования аккумуляторов включают совместное приготовление химикатов для создания новых материалов», - сказал д-р.Цзиган Чжоу, научный сотрудник CLS. "Характеристики этих материалов измеряются путем проверки силы тока, напряжения, времени зарядки и количества циклов зарядки, которые могут пройти материалы.

«По сути, вы делаете удар в темноте и видите, насколько хороша ваша цель», - сказал Чжоу.

Но у этого метода есть проблемы, и исследователи до сих пор не уверены, почему одни материалы работают лучше, чем другие. Итак, Чжоу и другие исследователи используют синхротрон, чтобы исследовать эти материалы совершенно по-новому.

Если вы думаете о типичной батарее типа AA, которую вы найдете в большинстве пультов дистанционного управления для телевизора, то есть положительный и отрицательный полюс, называемый электродом. Хотя для этих электродов можно использовать ряд материалов, Чжоу и его команда используют новый материал на основе оксида лития-никеля-магана (LMNO) на положительном электроде, который может обеспечить батареи со значительно более высоким напряжением.

Хотя более высокое напряжение этого материала может дать реальное преимущество, он имеет тенденцию к высыханию электролита - жидкости, необходимой для правильной работы батарей.Понимание роли, которую играет каждый элемент в LMNO, имеет решающее значение для дальнейшего исследования причины высыхания электролита.

Синхротронное рентгеновское излучение позволяет визуализировать LMNO настолько мелкими деталями, что он может определить, где материал разрушает электролитную жидкость, и определить, что происходит и как предотвратить разрушение в этих местах.

Однако для отрицательного электрода кремний является многообещающим и дешевым материалом, с которым исследователи также добились успеха.

«Кремний предлагает потенциал для батареи большей емкости, которая может удерживать больше заряда на грамм по сравнению с обычными батареями», - сказал он. «Такая батарея может работать дольше после одной зарядки».

Чжоу заявил, что «емкость кремния в 10 раз больше, чем у современных материалов для отрицательных электродов». Однако у этого материала есть свои проблемы. Когда в батарее используется кремний, его объем более сильно изменяется между тем, когда батарея полностью заряжена, и когда она израсходовала свой заряд.Эти изменения объема во время циклов зарядки приводят к выходу аккумулятора из строя со временем, поэтому исследователи работают над способами сделать кремний более стабильным, чтобы его можно было использовать в коммерческих целях.

Чжоу считает, что, поскольку в настоящее время на рынке нет батарей с кремний-LMNO-электродами, исследования по совершенствованию этих материалов могут привести к созданию новых, более совершенных батарей.


Силиконовая губка улучшает характеристики литий-ионного аккумулятора
Предоставлено Канадский источник света

Ссылка : Разрабатываем батарею будущего (2014, 30 октября) получено 19 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2014-10-battery-future.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Прорыв в аккумуляторах? Вот как ваши устройства могут получать питание в будущем.

Вы, возможно, читали заголовки на протяжении многих лет, кричащие о батареях, которые могут продлить срок службы вашего мобильного телефона на несколько недель и зарядить за секунды.Как нам сказали, прорывы в аккумуляторных батареях - они идут.

«Священный Грааль срока службы батареи открыт», «Заряжается за 30 секунд», «Прорыв в батареях обеспечивает в 30 раз больше энергии» - все это заголовки трех-четырех лет назад.

Так где они?

Выступая перед ABC News, два исследователя делятся своими мыслями о некоторых из самых захватывающих технологий в этой области и о том, что все еще сдерживает их.

Что у нас теперь?

Большинство ваших устройств, например мобильные телефоны, ноутбуки и фотоаппараты, работают от перезаряжаемых литий-ионных батарей .

Почему литий - популярный товар

Десятки борющихся горняков переросли в литиевые компании. Почему?

Подробнее

Литий-ионные батареи большего размера также используются для питания электромобилей и накапливают энергию от солнечной энергии, как, например, запланированная Тесла «самая большая в мире батарея» в Южной Австралии.

Литий, являясь самым легким металлом, очень привлекателен для батарей, потому что он может хранить наибольшее количество заряда по весу, что дает гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с никелевыми батареями или пакетами AA, которые вы можете найти в супермаркетах.

Но у них есть и минусы. Безопасность - это проблема .

Аккумулятор содержит легковоспламеняющийся жидкий электролит. Так что возгорание батареи может произойти, хотя и редко.

Авиакомпании это особенно беспокоит на случай возгорания ноутбука в зарегистрированном багаже. Литий

обеспечивает лучшую плотность энергии среди всех металлов. (Reuters: Regis Duvignau)

Что новые батареи надеются дать нам?

Лучшая плотность: Это означает, что аккумулятор может хранить больше заряда при том же физическом размере.

Увеличенный срок службы: литий-ионные аккумуляторы можно заряжать столько раз, прежде чем они начнут терять емкость. Примерно через три года вы, вероятно, обнаружите, что ваш телефон прослужит не так долго, как раньше.

Безопасность: Учитывая, что литий-ионные батареи могут воспламениться (помните Samsung Note 7?), Исследователи ищут новые более безопасные материалы. Работы ведутся с твердотельными аккумуляторами - они содержат твердый электролит, а не горючую жидкость.

Какая новая аккумуляторная технология является наиболее многообещающей?

«Святой Грааль исследования батарей» - это литий-воздушный (Li-air) , по словам доктора Роберта Керра из Института пограничных материалов Университета Дикина.

Этот тип батареи теоретически может удерживать на более чем в 40 раз больше заряда, чем литий-ионный аккумулятор того же веса.

Как следует из названия, литий-воздушные батареи потребляют кислород из воздуха. Это вызывает реакцию лития, которая выделяет энергию.

«Поскольку кислород не нужно хранить внутри батареи, он не влияет на общий вес элемента», - сказал доктор Керр.

Звучит многообещающе, но исследователям все еще предстоит преодолеть большие препятствия.

Батареи и суперконденсаторы: основы, материалы и устройства

Симпозиум и Nature Energy спонсировали награду за лучший плакат (по 3 на каждую стендовую сессию) и награду за лучшую устную презентацию аспирантов. Призы состоят из диплома, чека и, для абсолютного победителя, годовой онлайн-подписки на Nature Energy.

Симпозиум C ВЫПУСКНИКИ Награды:

  • Лаура Кристина ЛОАИЗА РОДРИГЕС
  • Leo DUCHENE

Награды за лучшую устную презентацию:

  • 1 st Nature Energy Award - Charlotte BODIN
  • 2 nd Award - Аврора Гомес-Мартин
  • 3 rd Награда - Aldalur Itziar

Лучшая ПЛАКАТНАЯ СЕССИЯ 1 Награды:

  • 1 st Nature Energy Award - Тереза ​​ЭРИКССОН
  • 2 nd Award - Rui XIA
  • 3 rd Award - Adele BIRROZZI

Best POSTER SESSION 2 Награды:

  • 1 st Nature Energy Award - Sunghun CHOI
  • 2 nd Award - Hosseini SEYEDMILAD
  • 3 rd Награда - Jonas BILLET

Для устойчивого развития требуется эффективное управление возобновляемыми источниками энергии, и ожидается, что в ближайшем будущем электрохимические накопители энергии будут играть ключевую роль в этом процессе.На этом симпозиуме будет рассмотрено состояние разработок в области электрохимического накопления энергии с акцентом на новые химические свойства, современные материалы и конструктивные особенности батарей и суперконденсаторов для текущих и будущих применений в транспортной, коммерческой, электронной, аэрокосмической, биомедицинской и других областях. секторов.

Объем:

Электрохимическое накопление энергии - это быстро развивающаяся область, в которой постоянно появляются инновационные идеи. Под влиянием импульса к электрификации транспортных средств и энергетической автономии для использования в жилых помещениях улучшение характеристик батарей и суперконденсаторов вызывало большой интерес в последние десятилетия.Хотя много усилий было направлено на увеличение мощности и плотности энергии на уровне элементов, исследованиям, сосредоточенным на показателях энергии на уровне системы, стоимости и характеристиках безопасности передовых аккумуляторов, уделялось меньше внимания, но они срочно необходимы для облегчения процесса «беспроводной электрификации». . Для широкомасштабного внедрения батарей, суперконденсаторов и их гибридов необходимо преодолеть препятствия в химии, материалах и конструкции элементов в областях безопасности, стоимости и надежности энергосистем.

Цель этого симпозиума - предоставить ученым во всем мире форум для представления последних достижений и обсуждения стратегий улучшения показателей производительности, характеристик безопасности и снижения стоимости электрохимических систем хранения энергии. Обсуждения охватят химию, материалы и инженерные аспекты для текущих и новых концепций литий-ионных аккумуляторов и не только, улучшенное емкостное накопление энергии, гибридные системы, а также дизайн элементов с учетом соображений системного уровня.Этот симпозиум также станет подходящим местом для обсуждения перспектив создания многофункциональных накопителей энергии, выходящих за рамки текущих характеристик систем.

  • Темы, которые будут охвачены симпозиумом, полностью соответствуют тематике Batteries & Supercaps, ChemPubSoc Europe Journal (публикуется Wiley-VCH), а материалы конференции / рукописи этого симпозиума будут иметь возможность опубликовать в специальном выпуск этого журнала.
  • Симпозиум
  • спонсировал награду за лучший плакат и устную презентацию для аспирантов.

Актуальные темы симпозиума:

Симпозиум будет охватывать широкий круг тем, относящихся к науке и технологиям электрохимического накопления энергии, включая, но не ограничиваясь:

  • Литий-ионные высокоэнергетические материалы: материалы для электродов интеркаляции, преобразования и легирования.
  • Материалы для не литиевых батарей (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Al 3+ и т. Д.)
  • Достижения в свинцово-кислотных, Ni-Cd, Ni-MH и других металл-ионных системах.
  • Органические материалы и полимеры для хранения энергии.
  • Новые окислительно-восстановительные пары и материалы для проточных батарей.
  • Суперконденсаторы, литий-ионные конденсаторы и гибридные конфигурации.
  • Ионные жидкости, твердые и жидкие электролиты.
  • Процессы на границе электрод / электролит.
  • Связующие, сепараторы, электролиты и добавки.
  • Безопасность, надежность, конструкция ячеек и системная интеграция.
  • Отраслевой взгляд на производство электромобилей, стационарных складов и др.
  • Описание, моделирование и теоретические достижения.
  • Переработка

Список приглашенных докладчиков:

  • Артем Абакумов (Инновационный центр Сколково, Россия)
  • Мишель Арман (CIC Energigune, Испания)
  • Фанни Барде (imec, Бельгия)
  • Уилл Чуэ (Стэнфордский университет, США)
  • Джеффри Дан (Университет Далхаузи, Канада)
  • Роберт Доминко (NIC, Словения)
  • Патрик Йоханссон (Технологический университет Чалмерса, Швеция)
  • Наталья П.Лебедева (накопитель энергии С1, ЭК)
  • Стефано Пассерини (Технологический институт Карлсруэ, Германия)
  • Тобиас Плаке (Университет Мюнстера, Германия)
  • Стивен Рено (IMN, Франция)
  • Патрис Симон (Университет Поля Сабатье, Франция)
  • Фарук Теджар (Институт энергетических исследований, ERI @ N, Сингапур)
  • Клэр Вильвейль (PSI, Швейцария)
  • Ацуо Ямада (Токийский университет, Япония)

Список членов научного комитета:

  • П.Адельхельм (Йенский университет, Германия)
  • М. Бекюве (UPJV, Амьен, Франция)
  • Д. Брессер (Институт Гельмгольца, Ульм, Германия)
  • М. Буга (ИКСИ, Румыния)
  • П. Канепа (Национальный университет Сингапура, Сингапур)
  • Ф. Долхем (UPJV, Амьен, Франция)
  • О. Фонтен (Университет Монпелье, Франция)
  • С. А. Фрейнбергер (Технологический университет Граца, Австрия)
  • А. Гримо (Коллеж де Франс, Франция)
  • М. Саланн (Университет Сорбонны, Франция)
  • С.Виллевей (PSI, Швейцария)
  • А. Чжан (Энергия природы)

Публикация:

Избранные статьи будут опубликованы в журнале Batteries & Supercaps , ChemPubSoc Europe , опубликованном Wiley-VCH .

30 самых безумных предсказаний о будущем, по мнению экспертов, сбудутся

Будущее! Это будет либо действительно, действительно потрясающе, либо действительно, очень ужасно.Будем ли мы ездить на работу на летающих велосипедах по шоссе с кондиционированием воздуха или будем заменены роботами и будем прятаться в наших домах, потому что антибиотики перестали работать? Будет ли вылечен рак? Будет ли на Марсе Интернет? Будет ли еще существовать буква Q? У нас так много вопросов, и, к счастью, у экспертов есть ответы.

Вот 30 прогнозов о будущем, которые могут вас удивить или даже шокировать, но одно можно сказать наверняка: их поддерживают довольно умные люди. Так сбудутся ли они? Становятся ли они ближе к реальности, даже когда вы это читаете? Кто знает! Оставайтесь здесь достаточно долго, и вы просто можете узнать.А чтобы узнать больше, не пропустите 20 безумных фактов, которые поразят вас.

Рэй Курцвейл, футуролог и технический директор Google, не любит людей, которых он любит, умирая больше, чем вы. Мы не можем остановить их смерть, но мы можем сохранить их воспоминания немного лучше, чем просто блеклые фотографии. Он думает, что мы приближаемся к эпохе, когда мы сможем создавать в виртуальной реальности аватары наших умерших близких, достаточно реалистичные, чтобы мы могли взаимодействовать с ними.«Это будет способ вернуть его», - говорит он, имея в виду своего отца. «Даже если не совсем реально вернуть этих людей в ИИ, это будет близко». А чтобы узнать о других удивительных фактах, ознакомьтесь со статьей «100 удивительных фактов обо всем».

Shutterstock

Amazon уже запускает доставку дронов с помощью беспилотников, но даже если это звучит слишком сложно, на кухне завтрашнего дня не нужно будет замечать, что у вас заканчивается молоко или у вас почти закончилось пиво. Контейнеры самостоятельно рассылают оповещения, когда нуждаются в пополнении.И чтобы убедиться, что ваш будет дольше сохранять ваше здоровье, дайте своему холодильнику список из 40 продуктов для сердца, которые нужно есть после 40.

Инженеры Samsung усердно работают, пытаясь разработать пару контактных линз, которые позволят вам выходить в Интернет и читать любимые веб-сайты, не поднимая пальца. Как это работает? Что ж, он включает в себя «светоизлучающий диод на стандартной мягкой контактной линзе, использующий материал, разработанный исследователями: прозрачную, высокопроводящую и эластичную смесь графеновых и серебряных нанопроволок.«
Они уже испытали его на кроликах, которые, по всей видимости, весь год писали в Твиттере множество подлых комментариев из своих глаз. (Нет, это шутка. Но контактные линзы полностью настоящие!) умопомрачительные мелочи, не пропустите 50 безумных фактов о знаменитостях, в правду которых вы не поверите.

Shutterstock

Кольца Сатурна всегда делали его самой узнаваемой планетой в нашей солнечной системе, но он может потерять это право хвастаться еще через 20-40 миллионов лет. Однажды Марс может получить собственное внешнее кольцо.Все зависит от его луны, Фобоса, которая все ближе и ближе подходит к поверхности красной планеты. Если он не врежется в Марс, он разобьется на бесчисленные крошечные кусочки, которые продолжат вращаться вокруг планеты. Довольно круто, правда? А чтобы узнать о некоторых удивительных мелочах, которые находятся гораздо ближе к дому, ознакомьтесь с 20 удивительными фактами, которые вы никогда не знали о своем теле.

Shutterstock

BBC уверена, что мы сможем добиться этого в не столь отдаленном будущем. «Собрать мысли и передать их другому мозгу будет не намного сложнее, чем хранить их в сети», - утверждает футуролог Ян Пирсон.Отлично, теперь даже наши мысли должны быть политкорректными все время ? У нас так много проблем. Чтобы узнать, как тренировать свой ум, чтобы избежать неловкости в будущем, попробуйте 10 способов сосредоточиться на ставках во время медитации.

По крайней мере, согласно Джорджу Фридману, автору книги The Next 100 Years: A Forecast for the 21st Century . По его словам, каждый седьмой экспорт из Китая идет в Walmart, и даже Уоррен Баффет не верит, что у Walmart есть будущее.«Все процветание Китая основано на готовности США и Европы покупать его продукцию», - говорит он, и это время подходит к концу. Когда придет это время, он не думает, что нынешняя версия Китая сможет выжить «миллиард [разгневанных] крестьян».

Shutterstock

Благодаря достижениям в технологии клонирования мы, возможно, сможем вернуть таких животных, как шерстистые мамонты. Но, по словам Акиры Иритани, профессора Киотского университета, «теперь технические проблемы решены, все, что нам нужно, - это хороший образец мягких тканей замороженного мамонта.«Российские ученые работают над этим, и большой вопрос в медицинском сообществе не« возможно ли », а« должны ли мы это делать? »

CGI использовался для всего, от создания новых сцен с участием актеров в молодости до замены актеров, которые умерли. Как скоро он просто заменит их полностью? Брэд Питт и Том Круз могут пока расслабиться, но, по словам Нади Магненат Тальманн, ученого по компьютерной графике, основателя и главы MIRALab в Женевском университете, по мере совершенствования технологий любой, кто не входит в список лучших, скорее всего, делать все больше и больше с помощью компьютера.«

Также, по словам футуриста Рэя Курцвейла, компьютеры смогут рисовать, писать и сочинять гораздо лучше, чем когда-либо люди.

Shutterstock

Мы не говорим о летнем солнцестоянии, когда кажется, что дни стали длиннее, потому что здесь больше солнечного света. Мы имеем в виду буквально на длиннее. Конечно, вам нужно прожить долгое-долгое время, чтобы испытать это, поскольку мы получаем всего 1,7 миллисекунды каждые 100 лет.Но все же удивительно думать, что одна из вещей, которые мы считаем абсолютной, действительно может быть изменена. Это не повлияет на вас, но у ваших пра-пра-пра-пра-внуков будет немного больше времени в день, чтобы все сделать. И если вы хотите сделать больше за наши ничтожные 24 часа, узнайте 15 способов удвоить вашу производительность вдвое.

Шон Распет, бывший местный специалист по ароматизации в Soylent, недавно основал новую компанию под названием Nonfood, которая производит пищу полностью из водорослей.Например, грубая слизь, которая плавает на вершинах болот. Довольно скоро мы все будем есть пищу, которая на самом деле не является едой, некоторые из которых на вкус (согласно одному раннему обзору) напоминают «винил, латекс и пыль праха моего деда». Ням! А чтобы получить полезные советы по здоровью, которыми вы можете воспользоваться прямо сейчас, посмотрите «40 изменений в жизни, которые вы должны сделать после 40».

Shutterstock

Google X Lab объявила в 2014 году, что они работают над таблеткой, которая будет отправлять микроскопические частицы в ваш кровоток, способные определять рак и даже будущие сердечные приступы задолго до того, как они станут смертельными.Мы бы предпочли лекарство от рака, но знание о раке за годы до его диагностики может спасти миллионы жизней. А чтобы узнать, как бороться с раком прямо сейчас, узнайте о 20 повседневных привычках, повышающих риск рака.

Если такие компании, как Technicon Design во Франции и Британский Центр технологических инноваций, добьются своего, каждый получит место у окна в самолете завтрашнего дня, откуда открывается панорамный вид на небо, пока вы летите к месту назначения. Расслабьтесь, окна технически не настоящие, это просто камеры, установленные на внешней стороне самолета.Хотя все еще ужасно. Удачного полета! И хотя мы не уверены, что они помогут на самолете с прозрачным фюзеляжем, мы все равно поможем вам: вот 10 лучших советов, как спать в самолете!

Shutterstock

Обеспокоены повреждениями от солнца или возможностью рака кожи? Ян Пирсон, старший футуролог британской компании Futurizon, утверждает, что скоро у нас появятся зеркала для ванных комнат со светодиодными дисплеями и камерами высокого разрешения. «Они будут подключены к Интернету, чтобы вы могли пройти видео-осмотр у дерматолога», - говорит он.

Мы уже определили 2341 планету за пределами нашей Солнечной системы, но благодаря сотрудничеству между НАСА и Google, согласно прогнозам, в ближайшем будущем это число вырастет до 4496. Будет ли жизнь на любой из этих планет? Скоро мы узнаем.

Разве у всех нас сейчас не должны быть роботы-дворецкие или горничные? Даже Дэвид Иглман, нейробиолог и писатель, разочарован. «Я предсказал это 20 лет назад, когда я был оптимистичным мальчиком, любившим Star Wars , и самый умный робот, который у нас есть сейчас, - это пылесос Roomba», - говорит он.Несмотря на то, что он надеется на роботов-помощников, «я не удивлюсь, если ошибусь еще через 25 лет. Искусственный интеллект оказался неожиданно сложной проблемой».
Что касается опасений, что роботы скоро украдут все наши рабочие места, журнал Wired не слишком обеспокоен.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *