Перспективные аккумуляторы: какими могут быть аккумуляторы будущего / Блог компании Mail.ru Group / Хабр

Содержание

какими могут быть аккумуляторы будущего / Блог компании Mail.ru Group / Хабр

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.

Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.

В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы


В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo



Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками



В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы



В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы


В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных.

Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки


Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы



Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера


Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы


Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы



Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости


Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки



В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде


Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды
, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу


Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы


Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор



В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой


В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром


В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка


Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие


В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами


В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества


Энергия кожи


Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху


uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot



Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель



В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

Аккумуляторы нового поколения помогут электромобилям увеличить длину пробега без подзарядки

Компания QuantumScape, которую поддерживают Volkswagen и Билл Гейтс, представила прототип аккумулятора будущего для электромобилей. По заявлению разработчиков, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80 процентов дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами.

Сейчас основными источниками питания ноутбуков, смартфонов и даже электрокаров являются литий-ионные батареи. Они неплохо справляются, когда речь идет о небольших устройствах, но автомобильные версии имеют ряд недостатков: долго заряжаются и содержат компоненты, которые могут воспламениться при аварии. Такие батареи могут замерзнуть при очень низких температурах. Исследователи в течение многих лет тестировали разные материалы, такие как полимеры и керамика, которые помогли бы решить эти проблемы.


Устройство нового твердотельного аккумулятора.

На виртуальной пресс-конференции Battery Day, Джагдип Сингх, основатель и генеральный директор QuantumScape представил концепт литий-металлического аккумулятора, который стал результатом десятилетней работы над твердотельной литиевой батареей, — сообщает techxplore. com

Вместо привычного жидкого электролита в новой батарее применен сухой керамический сепаратор. Он обеспечивает более эффективную передачу энергии при прохождении ионов. Также в аккумуляторе есть гелевый компонент, который не замерзает в холодную погоду и подавляет рост дендритов электролита, которые снижают эффективность литий-ионного аккумулятора.

Согласно результатам тестов QuantumScape, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80% дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами. Также они сохраняют более 80 процентов емкости после 800 циклов зарядки, что намного больше, чем у их нынешних литий-ионных «собратьев». Немаловажно, детище QuantumScape заряжается до 80 процентов от емкости аккумулятора всего за 15 минут.


«Самым сложным в создании работающей твердотельной батареи является необходимость одновременного удовлетворения требований высокой плотности энергии, быстрой зарядки, длительного срока службы и работы в широком диапазоне температур», — сказал лауреат Нобелевской премии 2019 года Стэн Уиттингем, соавтор литий-ионного аккумулятора.

И, по словам Уиттингэма, батарея QuantumScape отвечает всем этим требованиям.
«Если QuantumScape сможет внедрить эту технологию в массовое производство, это может привести к преобразованию отрасли», — добавил Стэн Уиттингем.

«Мы не видим на горизонте ничего близкого к тому, что мы делаем», — сообщил Сингх.
По мнению экспертов, в новой разработке может использоваться соединение лития, известное как LLZO.

Тестирование новой батареи проводилось на однослойных элементах. Окончательная версия батареи потребует до 100 слоев, и по мере увеличения толщины могут возникнуть дополнительные сложности.

В этом направлении активно работает китайский гигант по производству аккумуляторов CATL, LG Chem, Samsung, Panasonic и Tesla. Toyota также должна была представить свой твердотельный аккумулятор на Олимпийских играх в Токио в этом году, пока пандемия не поставила крест на этих планах. Стартап под названием Solid Power начал производство батареи аналогичного типа с электролитом на основе сульфида, который обладает высокой проводимостью. Ford, BMW и Hyundai также присоединились к этому процессу. В России разработками и производством источников питания являются компании участники рынка EnergyNet. Среди ярких представителей этого рынка можно отметить компанию-производителя аккумуляторов «Лиотек». Компания производит аккумуляторы для транспорта, промышленных предприятий и домашних хозяйств.

быстрая зарядка, минимальная деградация и высокая ёмкость

В конце ноября американская компания QuantumScape, которую до этого десять лет деньгами поддерживали только фонд Билла Гейтса и Volkswagen, стала публичной и вышла из тени. Сразу было заявлено, что разрабатываемые компанией твердотельные литийметаллические аккумуляторы станут батареями для электромобилей второго поколения, которые по дальности хода сравнятся с автомобилями на ДВС. Сегодня она с цифрами в руках доказывает свою правоту.

Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

До разработки QuantumScape, которая десять лет назад вышла из стен Стэндфордского университета, твердотельные литийметаллические аккумуляторы считались перспективными, но страдающими массой отрицательных побочных явлений. В частности, они были безопаснее и более ёмкими, чем литийионные, но обладали узким рабочим температурным диапазоном. Аккумуляторы QuantumScape, как утверждают разработчики, свободны от детских болезней твердотельных литийметаллических аккумуляторов и могут стать коммерчески осуществимыми уже через четыре года.

Главной особенностью твердотельных литийметаллических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы не имеют анода. Точнее, при производстве аккумуляторов QuantumScape анод не изготавливается. Этот электрод формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки. Заявленная скорость осаждения лития в процессе формирования анода превосходит все предыдущие показатели и достигает одного микрона в минуту, что обещает высокую плотность зарядного тока и быструю зарядку: до 80 % ёмкости за 15 минут.

В компании гордятся, что анод аккумулятора спроектирован с «нулевым превышением лития». Иначе говоря, в процессе производства ячейки нет необходимости даже в минимальном количестве лития в виде фольги или осаждения в месте формирования анода. Это заметно удешевляет и упрощает производство ячеек.

Ещё одним важным изобретением QuantumScape стало создание керамического сепаратора, который разделяет электроды. Сепаратор QuantumScape тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литийионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. Следует отметить, что аккумуляторные ячейки QuantumScape будут изготавливаться в виде «мешочков», а не в цилиндрическом формфакторе. Возможно это одна из особенностей использования керамических сепараторов.

Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторы QuantumScape также могут похвастаться толстыми катодами с возможностью пропускать токи высокой плотности свыше 3 мА·ч/см2 в течение часа заряда и разряда с токами 1C. После прохождения 800 циклов заряда и разряда ячейки QuantumScape сохранили свыше 80 % ёмкости, что потенциально обещает возможность проехать на одном аккумуляторе сотни тысяч км. Что также важно, аккумуляторы сохраняют рабочие характеристики до температур -30 °C, чего невозможно было добиться с помощью альтернативных разработок. Также, за счёт того, что из анода убран графит или графит-кремний, вещество электролита не деградирует в ходе побочных реакций в процессах зарядки и разрядки ячейки. Как нетрудно понять, это сохраняет рабочие параметры ячейки максимально долго.

Наконец, QuantumScape обещает довести ёмкость коммерческих твердотельных литийметаллических аккумуляторов до проверенного в лабораториях максимума: 1000 Вт·ч/л. Тем самым ёмкость аккумуляторов может вырасти на 80 % по сравнению с лучшими современными литийионными ячейками и довести запас хода электромобилей до величин, сопоставимых с возможностями автомобилей на двигателях внутреннего сгорания.

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

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».

Революция в обеспечении устройств энергией? В США патентуют «вечные» и безопасные ядерные батарейки

Представьте себе, что вы покупаете аккумулятор для автомобиля, используете его без подзарядки 20 лет, затем покупаете новый автомобиль и переставляете в него всё тот же аккумулятор. Представили? Компания NDB обещает, что так вскоре будет со всеми батареями и батарейками. Да-да, и смартфон тоже не надо будет больше ставить на зарядку. Никогда.

Как такое возможно? И почему учёные раньше не догадались обеспечить мир «вечными» аккумуляторами?

На самом деле идея, которая лежит в основе новой удивительной батарейки была озвучена учёными из Великобритании в 2016 году. И Вести.Ru об этом подробно рассказывали. Теперь же инженеры представили не сырую идею, а проверку концепции такого продукта. В дальнейшем наработки планируется использовать для создания первого прототипа «вечной» ядерной батарейки.

Представители калифорнийской компании NDB заявляют, что её наноалмазные батареи будут действовать как крошечные ядерные генераторы электрического тока.

Они будут иметь плотность энергии выше, чем у существующих литий-ионных аккумуляторов, и смогут работать до 28 тысяч лет без необходимости подзарядки. При этом будет практически невозможно сломать такое устройство и оголить «ядерный реактор», отвечающий за столь выдающиеся характеристики.

Пока создатели «батареек будущего» могут представить публике лишь красивые рисунки.

Сердце каждого такого генератора ‒ это небольшой кусочек переработанных ядерных отходов. Инженеры NDB планируют использовать части графитовых блоков ядерного реактора, которые поглотили излучение топливных стержней и сами стали радиоактивными.

Такой графит богат изотопом углерода-14, который подвергается бета-распаду до азота, высвобождая при этом антинейтрино и электрон. Представители компании NDB планируют брать этот графит, особым образом очищать его (нужные изотопы распределены по материалу неравномерно) и использовать для создания из углерода-14 крошечных алмазов.

Углерод-14 распадается до азота, генерируя в процессе антинейтрино и электрон. Радиоактивный алмаз из углерода-14 будет полностью покрыт слоем дешёвого, нерадиоактивного, созданного в лаборатории алмаза из углерода-12. Последний задерживает высокоэнергетические частицы, предотвращает утечку излучения и действует как сверхтвёрдый защитный слой, спасающий всю конструкцию от неумелого обращения.

В то же время алмазная структура действует как теплоотвод, выводящий тепло наружу и делающий всю конструкцию термостабильной.

Чтобы создать аккумулятор, несколько слоев такого наноалмазного материала помещаются в единый корпус вместе с крошечной интегральной схемой и небольшим суперконденсатором для сбора, хранения и мгновенного распределения заряда.

В NDB заявляют, что по такой технологии можно будет создать конечный продукт любой формы или стандарта, хоть в виде «пальчиковых», хоть в виде «мизинчиковых» батареек, а также типоразмера 18650 и 2170, и всевозможных нестандартных размеров тоже.

Уровни излучения от такой батарейки будут ниже, чем уровни излучения, производимые самим человеческим телом (в котором тоже постоянно происходит распад углерода-14). Это делает новинку полностью безопасной для использования в самых разных областях.

Небольшие аккумуляторы смогут питать кардиостимуляторы и другие электронные имплантаты, долгий срок службы которых позволит пользователям забыть об операциях по замене батареек (и тут вспоминается Тони Старк, создавший для себя подобное «сердце»). Такие аккумуляторы также могут быть размещены непосредственно на печатных платах устройств, обеспечивая их бесперебойную работу в течение всего срока службы.

Нил Нэйкер (Neel Naicker) из NDB приводит пример применения новинки в бытовой электронике: «Представьте себе iPhone, с батареей того же размера, которая заряжается с нуля до полной пять раз в час. Представьте себе это. Представьте себе мир, в котором вам вообще не придётся заряжать аккумулятор в течение дня. А теперь представьте себе, что устройство не надо будет заряжать неделю, месяц… Как насчёт десятилетий? Вот, что мы можем сделать с помощью этой технологии».

Аккумулятор можно будет масштабировать и до размеров электромобиля и даже сделать ещё больше. По прогнозам, такое устройство прослужит до 90 лет, то есть его можно будет вытащить из старого автомобиля и вставить в новый.

Даже если электромобиль с новым аккумулятором попадёт в аварию, это не станет катастрофой для окружающей среды. Всё дело в строении новой батареи, за прочность которой отвечают алмазные структуры.

Ещё один большой плюс такой разработки: перерабатываются ядерные отходы, которые, оставаясь необработанными, представляют большую опасность для мира, дороги в хранении и обладают очень длительным периодом полураспада.

Как утверждают представители NDB, конечный продукт будет конкурентоспособным по стоимости, а в некоторых случаях он будет даже значительно дешевле, чем существующие литиевые батареи. Дело в том, что поставщики ядерных отходов будут доплачивать компании NDB за то, что её представители забирают у них отработавшие своё опасные материалы.

Если же часть батареи выйдет из строя, то активную часть наноалмазов можно быть переработать для создания новых наноалмазов. Когда же аккумулятор достигнет конца своего срока службы, который, напомним, может составлять до 28 тысяч лет для маломощного устройства (использующегося, например, в космическом спутнике), от него не останется ничего кроме «безвредных побочных продуктов».

«NDB может решить главную глобальную проблему выбросов углерода одним махом без дорогостоящих инфраструктурных проектов, затрат на транспортировку энергии или негативного воздействия на окружающую среду», – отмечает Джон Шоу-Тейлор (John Shawe-Taylor), профессор Университетского колледжа Лондона и представитель кафедры ЮНЕСКО.

Даже если когда-нибудь компания полностью использует для производства своей продукции все мировые запасы ядерных отходов с содержанием углерода-14 ‒ перспектива, которая потребует очень серьёзных объёмов производства ‒ NDB сможет создавать собственное сырьё для «вечных» батарей (как с уверенностью заявляют в компании, «просто и с минимальными затратами»).

Когда же ждать революционный продукт?

На сайте компании утверждается, что инженерами уже осуществлена демонстрация практической осуществимости данной технологии.

Сейчас NDB находится на последней стадии привлечения финансирования, которое будет использовано для создания центра по производству прототипа подобных батарей. Компания готова приступить к созданию коммерческого прототипа, как только лаборатории снова откроются после окончания пандемии COVID-19.

Через пару лет компания обещает выпустить продукт, который будет обеспечивать низкую мощность, а через пять полноценный аккумулятор.

Принцип работы нового бета-вольтаического элемента. Перевод Вести.Ru.

Представители NDB заявляют, что значительно опережают своих конкурентов, создающих другие бета-вольтаические элементы питания, поскольку патенты на её технологии и производственные процессы уже находятся на рассмотрении соответствующих органов.

Если в итоге будет создан конкурентноспособный продукт, это произведёт настоящую революцию в энергоснабжении. Ведь даже дома, оборудованные системами NDB, можно будет не подключать к энергетическим системам. Каждая их батарея будет становиться собственным почти неисчерпаемым источником энергии, незаметно превращающим ядерные отходы в полезную энергию.

Добавим, что корреспонденты сайта New Atlas поговорили с членами команды NDB. C полной отредактированной стенограммой этого интервью (на английском языке) можно ознакомиться здесь.

Немного дополнительной информации можно найти в мультипликационном видео ниже, которое было выпущено в 2019 году.

Ранее мы также писали о «вечной» квантовой батарее и о созданном российскими учёными материале для «вечной» космической батарейки.

Понимание источника сверхбольшой емкости в перспективных электродах литий-ионных аккумуляторов

Краткое изложение трехстадийного пути реакции системы рутениевых литиевых батарей. Литий-ионные аккумуляторы

служат питанием почти всех портативных электронных устройств, которые мы используем каждый день, включая смартфоны, камеры, игрушки и даже электромобили. Исследователи по всему миру работают над поиском материалов, которые позволят создать безопасные, дешевые, долговечные и мощные литий-ионные батареи.

Работая в различных источниках света Министерства энергетики США, а также в университетах Кембриджа и Стони-Брук, группа исследователей недавно изучила класс литий-ионных аккумуляторных электродов, емкость которых намного выше, чем у материалов, используемых в современных аккумуляторах. Исследователи хотели определить, почему эти материалы часто могут хранить больше заряда, чем предсказывает теория.

Авторы выбрали оксид рутения (RuO2) в качестве модельной системы для изучения этих так называемых «конверсионных материалов», названных так потому, что они претерпевают большие структурные изменения при взаимодействии с ионами лития, обратимо образуя наночастицы металлов и соли (здесь Ru и Li2O). Эти реакции сильно отличаются от тех, что происходят в обычных электродах, которые накапливают заряд, позволяя ионам Li проникать в пространства внутри кристаллической решетки.

«Наше исследование выявило источник дополнительной емкости, обнаруженной для RuO2, а также дало протокол для изучения« пассивирующего слоя », который образуется на электродах батареи, который защищает электролит от дальнейших реакций разложения в последующих циклах заряда-разряда. «сказала соответствующий исследователь исследования, Клэр Грей, профессор кафедры химии в университетах Кембриджа и Стони Брук.«Понимание структуры этих слоев пассивирования является ключом к созданию аккумуляторов, которые служат достаточно долго для использования в таких приложениях, как транспорт и хранение в энергосистемах».

В Национальном источнике синхротронного света Брукхейвенской национальной лаборатории команда исследовала образцы, используя структуру ближнего края поглощения рентгеновских лучей (XANES) и расширенную тонкую структуру поглощения рентгеновских лучей (EXAFS). В усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории они использовали два дополнительных метода, дифракцию рентгеновских лучей с высоким разрешением (XRD) и анализ функции распределения пар рассеяния (PDF), чтобы извлечь информацию об электронных и дальнодействующих / ближних структурных изменениях. электрода RuO2 в реальном времени по мере разрядки и зарядки аккумулятора. Используя эти методы, команда показала, что RuO2 восстанавливается до наночастиц Ru и Li2O за счет образования промежуточных фаз LixRuO2.

Поскольку это не объясняет источник дополнительного механизма накопления заряда, группа использовала другой метод — твердотельный ядерный магнитный резонанс (ЯМР) высокого разрешения. Этот метод включает в себя воздействие на образец магнитного поля и измерение реакции ядер в образце. Он может дать конкретную информацию о химическом составе и локальных структурах и особенно полезен для изучения соединений, содержащих только «легкие» элементы, такие как водород (H), Li и кислород (O), которые трудно обнаружить с помощью XRD. .Данные ЯМР показали, что основной вклад в емкость вносит образование LiOH, который обратимо превращается в Li2O и LiH. Незначительный вклад в емкость вносят накопление Li на поверхности наночастиц Ru, образование сплава LixRu и разложение электролита. Последнее, однако, в конечном итоге приводит к уменьшению емкости и приводит к выходу из строя батареи после нескольких циклов зарядки.



Дополнительная информация: «Возникновение дополнительных емкостей в металлооксидных электродах литий-ионных аккумуляторов.Ян-Ян Ху, Зигенг Лю, Кюнг-Ван Нам, Олаф Дж. Боркевич, Цзюнь Ченг, Сяо Хуа, Мэтью Т. Дунстан, Сициан Ю, Камила М. Виадерек, Лин-Шу Ду, Карена В. Чепмен, Питер Дж. Чупас, Ян Сяо-Цин и Клэр П. Грей. Nature Materials 12, 1130–1136 (2013) DOI: 10.1038 / nmat3784. Предоставлено Брукхейвенская национальная лаборатория

Ссылка : Понимание источника сверхбольшой емкости в многообещающих электродах литий-ионных аккумуляторов (2014, 28 июля) получено 23 декабря 2020 с https: // физ. org / news / 2014-07-source-extra-large-capacity-li-ion-battery.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.

Электронные отходы становятся глобальной экологической проблемой

  • Войти в систему
  • Мой счет Управлять счетом FAQs Выход
  • Подписывайся
  • Человек года 2020
  • Передовые медицинские работники
  • Организаторы расовой справедливости
  • Информационный бюллетень
Закрыть Мой счет
  • Управлять счетом
  • FAQs
  • Выход
Войти в систему Разделы
  • Главная
  • U. С.
  • Политика
  • Мир
  • Здоровье
  • Личные финансы от NextAdvisor
  • Бизнес
  • Технология
  • Развлечения
  • Идеи
  • Наука
  • История
  • Новостная лента
  • Спортивный
  • Журнал
  • видео
  • TIME100 переговоров
  • Хранилище ВРЕМЕНИ
  • ВРЕМЯ для детей
  • ВРЕМЯ Edge
Присоединяйтесь к нам
  • Информационные бюллетени

E Источник | Управление спросом на аккумуляторную батарею выглядит многообещающим

Powerpack

Tesla Energy разработан для крупных товарных рынков и имеет мощность 100 киловатт-часов. Powerpack хорошо подходит для управления зарядом по требованию, но есть много других аккумуляторных продуктов, которые можно использовать и в этом приложении. Чтобы снизить ежемесячную нагрузку по запросу, эти батареи заряжаются в периоды низкой потребности и разряжаются в периоды пиковой нагрузки, когда установлены уровни ежемесячной нагрузки. Плата за потребление широко варьируется: от нескольких долларов до более 20 долларов за киловатт (кВт) в месяц (кВт-месяц — это цена за кВт в месяц). На некоторых рынках, таких как Калифорния, коммунальные предприятия предлагают тарифы с несколькими периодами оплаты по запросу, которые можно эффективно сложить вместе, чтобы достичь 50 долларов за киловатт-месяц.

Для снижения тарифов требуется нечто большее, чем просто аккумулятор и силовая электроника. Производственному объекту также требуется прогностическое программное обеспечение, которое знает, когда здание находится на траектории достижения пикового спроса, а также когда оно должно начинаться и прекращать подачу энергии в электрическую систему. Некоторые поставщики предлагают такие комбинированные системы батарей и программного обеспечения, включая Stem, CODA Energy и Green Charge Networks. И Tesla предлагает такие системы в рамках партнерства с EnerNOC.

Элегантный аккумуляторный отсек Green Charge Networks

Поставщики систем управления зарядом по требованию упрощают установку батарей в коммерческих зданиях, заключая их в привлекательные корпуса.

Экономика этих систем приближается к точке признания на рынках с высокими тарифами. Если предположить, что плата за потребление будет относительно высокой, составляющей около 20 долларов США за киловатт-месяц, потенциальная экономия составит около 240 долларов за киловатт емкости батареи в год. На самом деле, предприятие не получит всей этой экономии. Емкость батареи ограничена (обычно один или два часа энергии разряда при полной пиковой нагрузке), а программное обеспечение, ожидающее спроса, не работает идеально.Обычно такие системы дают примерно половину потенциальной экономии спроса. Существуют также паразитные потери, которые необходимо отрегулировать, в том числе потери энергии батареи в оба конца и неэффективность инвертора. Клиенты, пользующиеся тарифами на время использования, могут преодолеть эти потери, а затем и некоторые, покупая электроэнергию в периоды низкой нагрузки в непиковые периоды и разряжая ее в периоды максимальной нагрузки. Иногда клиенты зарабатывают на этом немного денег, но такая прибыль ничтожна по сравнению с экономией, достигнутой за счет снижения платы за спрос.

Учитывая, что стоимость установки этих систем составляет примерно от 1000 до 4000 долларов за кВт, покупатели в нижнем конце этого диапазона, которым удастся сэкономить около 120 долларов на кВт в год, увидят, что их системы окупятся примерно за восемь лет. Такие экономические расчеты, вероятно, дадут более привлекательные результаты в таких местах, как Калифорния и Нью-Йорк, где государственные и местные коммунальные предприятия сотрудничают, предлагая стимулы. На самом деле результаты повсюду будут улучшаться, поскольку стоимость батарей продолжает снижаться. Кроме того, некоторые поставщики налаживают партнерские отношения с производителями автомобилей, чтобы дать вторую жизнь бывшим в употреблении силовым агрегатам электромобилей.

Калифорния с ее высокими тарифами за спрос и государственными стимулами является отличным рынком для систем управления тарифами. Некоторые производители аккумуляторов предлагают финансирование без дополнительных затрат. По мере того, как цены на батареи снижаются, ищите, чтобы эти поставщики расширяли свою деятельность на другие штаты.

Это четвертый выпуск в серии из пяти статей, в которых рассматриваются четыре приложения для аккумуляторов Tesla.Во второй части серии рассказывается о том, как батареи могут быть использованы в арбитраже времени использования. В третьей части обсуждается, как аккумулятор Powerwall можно использовать для резервного питания в жилых помещениях. И последняя часть посвящена тому, как батареи могут использоваться для хранения в масштабе сети. Если вы хотите поделиться своим мнением по любой из этих тем, оставьте комментарий ниже или отправьте нам электронное письмо.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *