Аккумуляторы нового поколения. Когда мы, наконец, получим эффективные батареи и накопители энергии. Обзор различных современных методов хранения энергии.
Даже Томас Эдисон был разочарован проблемой хранения энергии. В интервью для прессы в 1883 году Эдисон пожаловался, что ему не удалось создать аккумулятор, который держал бы заряд достаточно долго, чтобы его можно было использовать в электромобиле. Он продолжал свои поиски в течение следующих десятилетий, но без особого успеха (смотрите - Когда появились первые электромобили, их история и развитие).
Хотя со времен Эдисона был достигнут значительный прогресс в производстве аккумуляторов, их производительность по-прежнему разочаровывает. Как считают эксперты, из литий-ионной технологии, разработанной в 1990-х годах, выжать гораздо больше уже нельзя.
С ростом числа устройств и транспортных средств, зависящих от электричества, возникает потребность в батареях с еще большей емкостью и более коротким временем зарядки. Важную роль также играет цена и общий вес аккумуляторной батареи.
Больше кремния или металла
Различные новые типы аккумуляторных батарей были разработаны для замены литий-ионных батарей в течение длительного времени. В последнее время наиболее перспективными, безопасными, эффективными и емкими считаются полупроводниковые решения с использованием твердого электролита.
Уже существуют передовые конструкции, сочетающие известную технологию с новой, например, батареи Джина Бердичевского от Sila Nanotechnologies, основанные на традиционной литий-ионной технологии с постепенным введением кремния. Они будут использоваться электрических BMW и Daimler в 2025 году, обеспечив как минимум 20-процентный скачок плотности энергии.
Sila Nanotechnologies планирует построить завод по производству аккумуляторов мощностью, в три раза превышающей мощность Gigafactory Илона Маска в Неваде, и произвести первый коммерческий кремниевый анод.
Основатели Sila Nanotechnologies - справа Гена Бердичевский
Известный концерн GM объявил, что в середине десятилетия у него также появится улучшенная батарея для электромобилей с теми же параметрами, что и Sila.
Volkswagen, еще один крупный автомобильный игрок, поддерживает технологию литий-металлических аккумуляторов QuantumScape. Компания обещает выпустить коммерческую версию этих аккумуляторов в 2024 году.
Solid Power, еще один стартап, разрабатывающий литий-металлические аноды, планирует начать производство своих аккумуляторов в 2026 году.
Всем придется столкнуться с Tesla, которая говорит, что комплексная трансформация его аккумуляторов будет готова к 2023 году.
Японцы также интенсивно работают над новым типом аккумуляторов. Дальше всех продвинулся стартап 3Dom, основанный Киёси Канамурой, профессором Токийского столичного университета.
В настоящее время существует два ведущих направления исследований — аноды, изготовленные в основном из кремния, и конструкции с использованием чистого металлического лития. Ученые рассчитывают, что они повысят плотность энергии в аккумуляторе, снизив тем самым его цену и увеличив запас хода после одной зарядки.
В современной доминирующей технике графитовые аноды сохраняют небольшое количество лития. С физической точки зрения шесть атомов углерода хранят один атом лития, который является энергоносителем батареи — чем больше лития, тем больше энергии. Атом кремния может хранить в среднем до 4,4 атомов лития. Использование чистого металлического лития также может хранить больше энергии.
До сих пор оба этих материала не использовались в батареях, потому что кремний сильно расширяется, а металлический литий может вызвать короткое замыкание батареи и вызвать пожар. Однако Sila, QuantumScape и Solid Power утверждают, что преодолели эти проблемы.
До сих пор единственные коммерческие батареи, содержащие кремний, такие как батареи, производимые Panasonic для Tesla, содержат около 5% кремния.
Кремниевые аккумуляторы
Гена Бердичевский объявляет, что аноды Sila будут составлять до 50 процентов в потребительских устройствах.
QuantumScape сообщает, что его литий-металлическая батарея выдерживает 800 циклов при комнатной температуре и может быть полностью заряжена менее чем за 15 минут.
Solid Power объявила в декабре, что она достигнет плотности энергии 330 ватт-часов на килограмм в своих элементах, что превышает любой известный коммерческий литий-ионный аккумулятор. Задача, которую полностью не решает не только Solid, — сохранение параметров при различных температурах, характерных для условий работы от прохладных до горячих.
Инновации от хлора до квантов
Конечно, есть и другие пути, по которым исследователи идут в направлении улучшения аккумуляторов. Недавно средства массовой информации сообщили, среди прочего, что стало возможным построить новые перезаряжаемые хлорно-щелочные батареи. Они имеют в шесть раз больше емкость чем обычные аккумуляторы в наших телефонах и ноутбуках.
К сожалению, несмотря на неплохие показатели в хранении и высвобождении электрического заряда, по сравнению со многими его коллегами из таблицы Менделеева, хлор любит быстро реагировать и слишком уж нестабилен. Поэтому он рассматривается в контексте не перезаряжаемых, а одноразовых батарей.
Однако недавно исследователи из Стэнфордского университета обнаружили, что в некоторых процессах он стабилен даже в батареях. А китайцы из Национального университета Чунг Ченг разработали пористый углеродный материал, контролирующий конверсию хлора.
Когда аккумулятор заряжается, хлорид натрия превращается в хлор (Na/Cl2). Натрий осаждается, а хлор остается в порах угольного электрода. Когда батарея разряжена, хлор имеет возможность соединиться только с молекулами натрия, что и происходит. Это восстанавливает хлорид натрия и делает батарею перезаряжаемой. Эти процессы повторяемы и очень эффективны.
Ученым удалось сконструировать прототип, который достигает емкости 1200 мАч/г положительного электрода при 200 циклах заряда/разряда. Обычно используемые литий-ионные аккумуляторы могут содержать только 200 мАч/г положительного электрода.
Японская компания Azul Energy применила несколько иной подход, чем другие, к проблеме увеличения емкости при миниатюризации батарей. Стартап под руководством Хироси Ябу, профессора Университета Тохоку, работает над новыми катализаторами для использования в батареях. Исследования сосредоточены на использовании воздуха для этой цели, что, как ожидается, увеличит плотность хранимой энергии от 3 до 10 раз.
Тем временем Connexx Systems в Сейки недалеко от Киото работает над подключением батареи к водородному топливному элементу. Батарея производит водород из порошка железа и воды и подает его в топливный элемент.
Прототипы позволили добиться в пять раз большей эффективности, чем литий-ионные батареи, при низких производственных затратах. Однако устройство тяжелое, что ограничивает его использование стационарными устройствами.
Есть идеи хранения энергии, выходящие за пределы мира клеток. Некоторые исследователи хотят, например, использовать свойства суперконденсаторов для разработки недорогого и экологически чистого решения.
Ученые из Австралийского технологического университета в Квинсленде в сотрудничестве с индийским IIT Jammu и немецким TU Munich разработали устройство хранения энергии на основе суперконденсатора, которое обеспечивает плотность энергии, аналогичную плотности никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторы накапливают энергию статически — они заряжаются и разряжаются гораздо быстрее, не разрушая внутреннюю структуру. В результате они имеют очень высокую удельную мощность, хотя и намного ниже, чем их химические аналоги.
Разработанный прототип имеет отрицательный электрод конденсатора на основе карбида титана и положительный электрод из графена. Команда описывает его как гибридный конденсатор с зарядной емкостью (плотность мощности, Вт/кг) примерно в десять раз большей, чем у литиевых батарей, и сравнимой с никель-металлогидридными батареями.
Протестированное устройство показало плотность энергии до 73 Втч/кг — около 28%, что предлагают сегодняшние современные аккумуляторы, при этом удельная мощность возросла до 1600 Вт/кг — намного больше тех 250-340 Вт/кг, которые могут предложить современные литиевые аккумуляторы.
Однако в новом решении есть одна загвоздка. Чтобы зарядить такое устройство быстрее, чем традиционные аккумуляторы, потребуется высокотехнологичная инфраструктура, которая в настоящее время недоступна.
Например, ученые, ищущие альтернативы в области клеточных технологий и хранения энергии, углубляются в квантовый мир. Идея создания квантовой батареи нанометровых размеров возникла у ученых из канадских университетов, Университета Альберты и Торонто.
Работа квантовых батарей основана на совершенно иных принципах, чем обычные. Наноструктуры заставят электроны поглощать фотоны, накапливая энергию и высвобождая ее в квантовых процессах. Квантовые ячейки должны быть полностью изолированы от окружающей среды, в том числе и от света, чтобы не возникала декогеренция. Пока они существуют только в теории.
Безопасность так же важна, как и производительность
Помимо увеличения емкости, плотности и скорости зарядки элементов, перед учеными и исследовательскими центрами стоят и другие задачи. Пока на рынке доминируют литий-ионные аккумуляторы и их безопасность здесь и сейчас является серьезной проблемой. Уже хорошо известно, что при определенных обстоятельствах они представляют опасность взрыва и возгорания.
Корейским ученым из Корейского института науки и технологий (KIST) под руководством Джуна Ки Ли удалось подавить рост дендритов, разветвленных кристаллов, вызывающих возгорание аккумуляторов электромобилей, путем создания защитных полупроводниковых пассивирующих слоев на поверхности литиевых электродов.
Чтобы предотвратить образование дендритов, исследовательская группа подвергла фуллерен (С60) воздействию плазмы, что привело к образованию полупроводящих пассивирующих углеродных слоев между литиевым электродом и электролитом.
Полупроводящие углеродные пассивирующие слои пропускают ионы лития, блокируя электроны благодаря образованию барьеров Шоттки. Предотвращение взаимодействия электронов и ионов лития на поверхности электрода и внутри тормозит образование кристаллов и рост дендритов.
Недавно разработанные электроды показали заметно повышенную стабильность, при этом рост литиевых дендритов подавлялся до 1200 циклов. Кроме того, при использовании катода из оксида лития-кобальта (LiCoO2) в качестве добавки к разработанному электроду после 500 циклов сохраняется около 81 процента. начальная емкость батареи, улучшение около 60% по сравнению с обычными литиевыми электродами.
Новый защитный барьер, значительно увеличивающий срок службы и безопасность литиевых батарей, также был разработан японскими учеными из Института передовых наук и технологий (JAIST).
В доступных на рынке батареях используются графитовые аноды, для которых также требуется связующий материал, иначе графит просто разрушится внутри батареи.
В настоящее время в качестве связующего материала используется поливинилиденфторид (ПВДФ). Однако его производительность не самая лучшая. Всего после пятисот циклов зарядки и разрядки емкость элементов PVDF падает до 65% от исходного значения.
Как сообщает EurekaAlert, команда JAIST обнаружила новый связующий материал под названием сополимер бис-иминоаценаэфтинохинон-парафенилен, который позволяет аккумулятору сохранять емкость в 95% на протяжении более 1700 циклов заряда-разряда.
Сила, зачарованная в бетоне
В последнее время технология материалов все активнее занимается поиском эффективных и дешевых решений для хранения энергии.
Например, ученые из Ланкастерского университета обнаружили кристаллический материал, который может не только улавливать солнечную энергию в течение нескольких месяцев при комнатной температуре, а затем по требованию отдавать ее в виде тепла. Это может быть особенно полезно в районах, где много солнечного света в летние месяцы, но недостаточно света в зимние месяцы.
Этот трюк проделывает материал на основе «металлоорганических каркасов» (МОК), пористые свойства которого позволяют создавать композиционные материалы за счет включения в их структуры других малых молекул.
При этом туда помещаются молекулы азобензола (сильные поглотители света), которые могут менять свою форму под воздействием света или тепла.
Эти специальные молекулы действуют как фотопереключатели — своего рода «молекулярная машина», которая меняет форму при воздействии внешнего раздражителя, такого как свет или тепло.
Согласно исследованиям, этот процесс накапливает энергию подобно тому, как запасается потенциальная энергия в пружине.
Испытания показали, что материал способен сохранять энергию более четырех месяцев, то есть при смене времен года. Тем не менее, плотность накопленной энергии невелика, и ее необходимо улучшить, если мы хотим рассмотреть возможность применения этой технологии на практике, например, в качестве экологически чистого дополнения к отоплению домов и офисов или для защиты от обледенения окон.
Описание исследования появилось в Journal of Chemistry of Materials. Системы «структурных батарей», которые используют всю структуру, например, дома в качестве хранилища энергии, отходят от классических подходов при разработке решений для хранения энергии.
В марте 2021 года появилась информация о том, что ученые из шведских университетов Chalmers University of Technology и KTH Royal Institute of Technology улучшили характеристики такой системы в десять раз по сравнению с тем, что было известно до сих пор.
Основное применение этого типа системы накопления энергии находится в электромобилях, где батареи обычно занимают много места. Эти автомобили должны быть специально спроектированы, чтобы выдерживать вес аккумуляторов.
Что, если бы сама рама основной конструкции автомобиля содержала энергию? Чтобы создать свою структурированную батарею, исследователи поместили стеклянную «ткань» между положительным и отрицательным электродами, затем заполнили ее полимерным электролитом, а затем отверждали ее в печи.
В результате получается прочный плоский элемент батареи, который хорошо проводит электричество и выдерживает испытания на растяжение во всех направлениях.
Университет Чалмерса пишет в пресс-релизе: «Аккумулятор имеет плотность энергии 24 Втч/кг, или около 20% емкости литий-ионных аккумуляторов на рынке сегодня. Однако, так как при использовании структурированной батареи автомобиль может быть значительно легче, то ему требуется меньше энергии. Низкая плотность энергии также приводит к большей безопасности элемента. А благодаря своей жесткости 25 ГПа структурированная батарея может конкурировать со многими другими широко используемыми конструкционными материалами».
Ученые хотят заменить алюминиевую фольгу в электроде материалом из углеродного волокна и сделать сепаратор тоньше. В результате может получиться батарея, производящая 75 Втч/кг энергии и обладающая жесткостью 75 ГПа.
Одним из наиболее многообещающих потенциальных применений для этого типа элементов являются самолеты, где использование электрического двигателя затруднено из-за веса батарей.
Вместо «мертвой» массы аккумулятора мы имеем конструктивные элементы, выполняющие одновременно две функции.
Изобретатели зарисовывают в перспективе целые огромные бетонные здания, способные накапливать энергию, как гигантские батареи.
Концепции аккумуляторных батарей из цемента уже известны в мире науки. Одной из концепций может быть добавление в бетонную смесь проводящих углеродных волокон, что также увеличивает механическую прочность. Затем в смесь помещали сетку из углеродного волокна, покрытую металлом — железо в качестве анода и никель в качестве катода.
После множества экспериментов Лупин Танг и Эмма Чжан из Университета Чалмерса создали прототип со средней плотностью энергии 7 ватт-часов на квадратный метр (0,8 ватт-часов на литр объема). Плотность энергии по-прежнему низкая по сравнению с коммерческими батареями, но здания масштабные, поэтому в целом счет выглядит неплохо.
Прототип батареи на цементной основе Лупинг Танга и Эмма Чжан из Университета Чалмерса
По словам исследователей, такие батареи могли бы успешно питать светодиоды в освещении, телекоммуникационную инфраструктуру, передатчики и приемники, особенно в отдаленных районах, или обеспечивать катодную защиту от коррозии в бетонных конструкциях.
«Это также может быть система, связанная, например, с панелями солнечных электростанций для обеспечения электричеством и стать источником энергии для систем мониторинга автомагистралей или мостов, где датчики, работающие от бетонной батареи, могли бы обнаруживать трещины или коррозию», — предполагает в публикации Эмма Чжан.
Элементы строительных конструкций представляют интерес и для других исследователей. Химики Вашингтонского университета в Сент-Луисе показали, как они могут превратить обычные красные кирпичи в своего рода суперконденсатор, накапливающий энергию.
Их «умные кирпичи» покрыты проводящим полимером под названием PEDOT, состоящим из нановолокон, которые впитываются в пористую структуру кирпичей, в конечном итоге превращая весь кирпич в «ионную губку», которая проводит и хранит энергию. Описание их исследования опубликовано в журнале Nature Communications.
В рамках испытаний ученые зарядили кусок кирпича до 3 В за 10 секунд, затем на 10 минут включили зеленый светодиод, питаемый от своего кирпича.
Они считают, что стены, сделанные из этих энергоаккумулирующих кирпичей, могут хранить очень большое количество энергии. Более того, действуя как суперконденсатор, эти кирпичи можно заряжать сотни тысяч раз в час.
Кирпичи и светодиод
Строительные конструкции могут и уже могут накапливать энергию несколько иным, хотя и менее технически изощренным способом. В нескольких часах езды к югу от Цюриха, в швейцарском кантоне Тичино, находится батарея, построенная из бетонных блоков швейцарской компанией Energy Vault.
Как известно, не всегда светит солнце и не всегда дует ветер. Ни один из них не обеспечивает электричество именно тогда, когда мы потребляем его больше всего. Поскольку большие топливные элементы не являются дешевым решением, рассматриваются другие подходы.
Батарея Swiss Energy Vault делает это, укладывая бетонные блоки особым образом, что позволяет накапливать потенциальную энергию. Чем выше поднимается блок, тем больше в нем запасается потенциальной энергии. Позже аккумулятор можно разрядить, запустив двигатели крана в обратном направлении, преобразуя потенциальную энергию бетонного блока обратно в электричество.
Удивительно, но вся система, являющаяся одной из многих разновидностей гидроаккумулирующей системы, относительно эффективна. Двусторонняя система, от установки до извлечения, составляет около 85%, что примерно так же, как для (новых) литий-ионных аккумуляторов, эффективность которых достигает 90%.
Строительство бетонного хранилища энергии в Швейцарии
Обзор различных методов хранения энергии, над которыми в настоящее время разрабатываются в мире, приводит к выводу, что какая-либо одна из разработок вряд ли будет универсальным решением для всех приложений. Может оказаться, что даже когда речь идет об аккумуляторах, в будущем мы будем использовать разные типы аккумуляторов накопления и хранения энергии для разных устройств и ситуаций.