У 10 разів довше без підзарядки

Відео: БМ: Як заробляти в 10 разів більше на тому що любиш

Нове покоління акумуляторів в десять разів збільшить час роботи мобільних пристроїв і зробить електромобілі конкурентоспроможними на ринку. У цій статті ми розповімо про найперспективніші розробки.

Відносно акумуляторів діє правило «все або нічого». Без енергетичних накопичувачів нового покоління не буде ні перелому в енергетичній політиці, ні на ринку електромобілів. Закон Мура, постуліруемий в IT-індустрії, обіцяє збільшення продуктивності процесорів кожні два роки. Розвиток акумуляторів відстає: їх ефективність збільшується в середньому на 7% на рік. І хоча літій-іонні батареї в сучасних смартфонах працюють всі довше і довше, це багато в чому пов`язано з оптимізованої продуктивністю чіпів. В даний час літій-іонні батареї домінують на ринку через їх малу вагу і високої щільності накопичуваної енергії. Щорічно мільярди акумуляторів встановлюються в мобільні пристрої, електромобілі і системи для зберігання електрики від поновлюваних джерел енергії. Однак сучасна техніка досягла своєї межі. Доброю новиною є те, що наступне покоління літій-іонних батарей вже майже відповідає вимогам ринку. Як акумулює матеріалу в них застосовується літій, який теоретично дозволяє в десять разів збільшити щільність зберігання енергії. Поряд з цим наводяться дослідження інших матеріалів, так як літій хоча і забезпечує прийнятну щільність енергії, проте мова йде про розробки на кілька порядків оптимальніше і дешевше. Зрештою, природа могла б надати нам кращі схеми для високоякісних акумуляторів. Науково-дослідні лабораторії університетів розробляють перші зразки органічних акумуляторів. Однак до виходу таких біобатарей на ринок може пройти не одне десятиліття. Місток в майбутнє допомагають протягнути малогабаритні батареї, які заряджаються шляхом уловлювання енергії.


За даними компанії Gartner, в цьому році буде продано понад 2 млрд мобільних пристроїв, в кожному з яких встановлений літій-іонний акумулятор. Ці акумулятори сьогодні вважаються стандартом, почасти тому, що вони дуже легкі. Проте вони мають максимальну щільністю енергії тільки 150-200 Вт-ч / кг. Літій-іонні батареї заряджаються і віддають енергію шляхом переміщення іонів літію. При зарядці позитивно заряджені іони рухаються від катода через розчин електроліту між шарами графіту анода, накопичуються там і приєднують електрони струму зарядки. При розрядці вони віддають електрони в контур струму, іони літію переміщаються назад до катода, в якому вони знову зв`язуються з перебувають в ньому металом (в більшості випадків - кобальтом) і киснем. Ємність літій-іонних акумуляторів залежить від того, яка кількість іонів літію може розташовуватися між шарами графіту. Однак завдяки кремнію сьогодні можна домогтися більш ефективної роботи акумуляторів. Для порівняння: для зв`язування одного іона літію потрібно шість атомів вуглецю. Один атом кремнію, навпаки, може утримувати чотири іона літію.


Ємність акумуляторів зростає при включенні кремнію між шарами графіту. Вона збільшується в три-чотири рази при з`єднанні кремнію з літієм, проте після декількох циклів зарядки графітовий шар розривається. Вирішення цієї проблеми знайдено в стартап-проект Amprius, створеному вченими з Стенфордського університету. Проект Amprius отримав підтримку таких людей, як Ерік Шмідт (голови ради директорів Google) і лауреат Нобелівської премії Стівен Чу (до 2013 року - міністр енергетики США). В рамках цього проекту доступні три методи вирішення «проблеми графіту». Перший з них - застосування пористого кремнію, який можна розглядати як «губку». При збереженні літію він вкрай мало збільшується в обсязі, отже, шари графіту залишаються неушкодженими. Amprius може створити акумулятори, які зберігають до 50% більше енергії, ніж звичайні. Більш ефективно, ніж пористий кремній, накопичує енергію шар кремнієвих нанотрубок. В прототипах було досягнуто майже дворазове збільшення зарядної ємності (до 350 Вт * год / кг). «Губка» і трубки повинні бути раніше покриті графітом, так як кремній вступає в реакцію з розчином електроліту і тим самим зменшує час роботи акумулятора. Але є і третій метод. Дослідники проекту Ampirus впровадили в вуглецеву оболонку групи частинок кремнію, які безпосередньо не стикаються, а забезпечують вільний простір для збільшення часток в обсязі. Літій може накопичуватися на цих частках, а оболонка залишається неушкодженою. Навіть після тисячі циклів зарядки ємність прототипу знизилася тільки на 3%.





Ефективність елементів живлення безпосередньо пов`язана з щільністю енергії хімічних речовин. Графік показує, що комбінації матеріалів, наприклад, літій-сірка або метал-повітря, значно краще акумулюють енергію. Літієво-сірчані (LiS) акумулятори забезпечують удосконалення катода: сірка в катоді, так само як і кремній в аноді, може накопичувати більше літію. Раніше розроблені LiS-прототипи зі значенням 350 Вт-ч / кг забезпечують більшу щільність енергії, ніж літій-іонні акумулятори, однак вони теж не досягли межі. На шляху збільшеною ефективністю стоять дві проблеми: теоретична щільність енергії на практиці може бути досягнута тільки в тому випадку, якщо використовувати в аноді чистий літій. Це важко, тому що він реагує з електролітом. Однак те ж саме робить і сірка, а саме - іони полісульфіду, які подібним же чином потрапляють до анода і там розкладають літій або осідають у формі сульфіду літію Li2S. Такий акумулятор витримує лише невелике число циклів зарядки. Команді дослідників суспільства Фраунгофера під керівництвом професора Хольгера Альтуеса вдалося «захистити» сірку. Вони «обернули» її вуглецевої оболонкою і використовували аналогічну оболонку на аноді. Прототип витримав дві тисячі циклів зарядки. До 2020 року Альтуес очікує виходу на ринок LiS-акумуляторів з щільністю енергії близько 600 Вт год / кг, що приблизно втричі перевищує значення літій-іонних акумуляторів.


Хімічну реакцію літію з киснем використовують метал-повітряні акумулятори: при розрядці атоми металу в аноді реагують з киснем повітря і виділяють електрони. Потім вони переміщуються через електроліт в формі іонів до катода. Потенційна щільність енергії (1100 Вт-ч / кг) набагато перевищує значення літій-іонних акумуляторів. Цинково-повітряні батареї застосовуються вже давно, проте цинк руйнується при розрядці. Щоб цією не відбувалося в акумуляторах, під час підзарядки кисень на катоді повинен бути знищений. Таким чином з іонів металу знову виникає цинк. Крім того, потрібен особливий каталізатор, такий як розчин калію, як захист від повітря для цинкового електрода з метою запобігання його небажаного окислення. У стартап-проект Imprint Energy розроблені навіть готові до друку акумулятори з полімерним каталізатором, які завдяки своїй гнучкості чудово підходять для малогабаритних пристроїв. Оскільки для цинково-повітряних акумуляторів потрібен постійний обмін повітря, вони мало придатні для мобільних пристроїв, однак в майбутньому зможуть використовуватися в електромобілях, тим більше що вони не містять горючих матеріалів. Накопичена енергія чи зменшується протягом десятиліть, що робить ці акумулятори вельми цікавими.





В сучасних акумуляторах електрони випускають тільки тверді матеріали. Але існує також концепція окислювально-відновного потоку або рідинних осередків: дві розчинені солі металів переміщаються поруч в окремих контурах. Вони приводяться в рух за допомогою насосів і стикаються на проникною мембрані. Відбувається іонообмін, а осередок розряджається і знову заряджається при подачі струму. Така система має сенс для застосування в електромобілях: замість того, щоб витрачати багато годин на зарядку автомобіля від розетки, його можна заправити, як це робиться сьогодні з застосуванням бензину. При цьому необхідно просто замінити відпрацьовану рідину нової, після чого рідинний акумулятор буде знову заряджений. На Женевському автосалоні був представлений подібний автомобіль (Quante e), дальність поїздки якого нібито становить 600 км, однак дані отримані тільки в процесі моделювання. Відповіді на проблеми матеріалів рідинних осередків досі можуть дати тільки дослідні лабораторії. У Массачусетському технологічному інституті розроблена рідинна осередок без мембрани, в якій дві рідини в процесі іонообміну не змішуються при ламінарному плині. Завдяки цьому дослідники змогли працювати з бромом, який під час розрядки відновлюється до бромоводорода. Використання брому дозволить ще вдвічі збільшити щільність енергії ванадієво-рідинної комірки.


Органічні речовини дуже хороші як енергоносіїв. Вони недорогі і, як правило, не отруйні. Дослідники Гарвардського університету розробили рідинну осередок, яку видобувають енергію зберігання з антрахинона-дісульфоната (AQDS) - складової частини ревеню. Однак вони не можуть відмовитися від використання брому. Поки неясно, чи зможе витримати біоячейка кілька тисяч циклів зарядки, однак бар`єр в кілька сотень циклів вона вже подолала. Настільки ж ефективно, як і «ревеневий осередок», діє цукрово-повітряний акумулятор (розробка фахівців Політехнічного університету Вірджинії). Щільність енергії в подібній системі майже в десять разів перевищує значення сучасних літій-іонних акумуляторів. Анод з мальтодекстрину плаває в розчині різних ферментів, які поступово руйнують його, звільняючи при цьому електрони. Керівники дослідницької групи прогнозують можливість застосування «цукрових» акумуляторів в мобільних пристроях вже через три роки, однак подібні прогнози щодо біоаккумуляторов згодом виявляються малореалистичную. Так, компанія Sony ще сім років тому заявила про розробки в області біоаккумуляторов, але з тих пір мало що сталося. Досвід показує, що для розробки чудо-батарей потрібно досить багато часу.


В майбутньому електроенергію для смартфонів можна буде виробляти навіть посеред лісовій глушині. Дослідники з США та Китаю розробили крихітні генератори, які здатні використовувати для зарядки навіть найслабші вібрації. Ці пристрої складаються з полівініліденфториду (PVDF) - матеріалу, що генерує струм при тиску і деформації. Як правило, фторопласти використовуються для ущільнюючих покриттів і фільтрів, а також знаходять застосування в динаміках і мікрофонах. Для виробництва генераторів в полімерну масу вводять частинки оксиду цинку, які потім розчиняють соляною кислотою. В результаті залишається губчаста структура, виготовлена з м`якого і гнучкого матеріалу з великими отворами, що є надзвичайно чутливою до коливань всіх видів. В кінці виробничого процесу виходить PVDF-плівка, на яку з обох сторін наноситься тонка мідна фольга в якості електродів. Якщо наногенератор встановлюються на смартфон, досить, щоб пристрій під час поїздки просто лежало на пасажирському сидінні. Вібрації заряджають акумулятор: при частоті коливань 40 Гц прототип досяг пікових значень 11 В і 9,8 мікроампер.


Експерти прогнозують, що до 2020 року більше 50 млрд мініатюрних пристроїв будуть взаємодіяти один з одним. Дослідники Вашингтонського університету розробили бездротову комунікаційну систему, що використовує енергію телевізійних сигналів і сигналів мобільного зв`язку. Хоча ККД і невисокий, проте достатній для передачі повідомлень. В ході тестів система відправляла до 1000 біт в секунду і використовувала для цього хвилі ТВ-передавачів, розташованих на відстані від 800 м до 11 км.

Також з кожним рухом тіла ми виробляємо невелику кількість енергії, яка може бути перетворена в струм. Генератор на колесі велосипеда - кращий приклад. Було б непоганим варіантом використовувати цю енергію для підзарядки смартфона. У технологічному інституті Джорджії (Атланта) дослідники винайшли генератор, який виробляє електрику з тертя. Він складається з чотирьох плоских дисків, розташованих один над одним. Три з них змонтовані нерухомо і виглядають як шари торта, до них прикріплені електроди. Над ними переміщається мідний диск. Коли цей ротор треться по розташованому під ним «шматку торта» з покриттям із золота, виникає напруга, завдяки чому генератор безперервно виробляє змінний струм і забезпечує потужність до 1,5 Вт. Всі пристрій невелике і поміщається в кишені: при діаметрі 10 см і обсязі 0,6 см³ його вага складає всього 1,1 м В майбутньому у нас завжди буде під руками джерело живлення - варто лише трохи потерти його.