Какие задачи решают новые технологии
За создание литий-ионной технологии трое ученых получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Ведь в том числе благодаря их изобретению расширились возможности по использованию портативной техники (ноутбуков, смартфонов, планшетов). Сегодня к накопителям энергии предъявляют все более высокие требования, и это подталкивает к поиску новых технологий. Важен баланс между габаритами, энергетическими характеристиками и ценой. Первые два параметра можно настраивать в широком диапазоне, но цена остается серьезным препятствием. Да и технологии, использующие литий, упираются в ограничение: лития в природе не так много, а его добыча обходится достаточно дорого. Прогресс последних лет затрагивает, скорее, энергоэффективность, а не качественные характеристики. Хотя разработок много, инновации не так быстро попадают на массовый рынок.
Развитие батарей для электротранспорта, складской техники и космической отрасли происходят существенно быстрее. Технологический рывок произойдет и на массовом рынке, но для этого производители мобильной техники должны выбрать автономность устройств как ключевой элемент добавленной стоимости. Однако ожидание будет долгим. По оценкам Международного энергетического агентства, основной технологией в ближайшие десятилетия останутся литиевые аккумуляторы. Выход новых разработок на рынок прогнозируются не ранее 2025 года. Но фундамент будущих изменений закладывается уже сейчас, основные тренды связаны с технологией быстрой зарядки, уменьшением габаритов и повышением срока службы аккумуляторов.
Стартапы ради быстрой зарядки
Технология быстрой зарядки включает три основных момента: алгоритмы заряда, энергетические параметры и сечение проводника. Если речь о мобильной технике, то ее зарядка не предполагает разнообразия разъемов и кабелей. Type-C стал стандартом для индустрии, поэтому на первый план выходят алгоритмы заряда, такие как Power Delivery и Quick Charge.
Их основная задача — обеспечить передачу большего количества энергии по тому же проводу, не превышая допустимые значения силы тока (до 3 А). Но устройство не должно перегреваться во время зарядки, поэтому сегодня делают упор не только на увеличение зарядного напряжения, но и на разработку специальных алгоритмов, постепенно понижающих мощность (по мере того, как батарея восстанавливает уровень заряда). Кроме того, технология быстрой зарядки становится одним из пунктов, обеспечивающих «привязку» потребителя к экосистеме конкретного производителя.
Канадский стартап GBatteries пытается решить задачу быстрого восполнения заряда с помощью искусственного интеллекта. Быстрая зарядка происходит благодаря последовательным микроимпульсам постоянно меняющегося тока. Действуют умные алгоритмы, которые встроены в зарядные станции: они определяют, когда именно отправить очередной импульс и определяют уровень напряжения, чтобы не навредить аккумуляторам. Технологию планируют совместить с текущим поколением литий-ионных аккумуляторов. Планируется, что благодаря задумке батареи электрокаров смогут восполнять заряд за 5–10 минут. Канадцы разрабатывают зарядные станции и для другой техники.
Технологию быстрой зарядки предлагает и израильский стартап StoreDot. Вместо модификации принципа работы зарядного устройства они обратились к химии самой аккумуляторной батареи. Вместо графита используются олово, германий и кремний в сочетании с органическими соединениями. Заряд батареи, используемой в электросамокате, получилось восполнить всего за пять минут. Специалисты разрабатывают аккумулятор для телефона, который сможет восполнить заряд так же быстро. Среди инвесторов стартапа — Mercedes Daimler и Samsung. Правда, опять же, вопрос в цене — изначально батареи точно не будут дешевыми.
Стартапы, пообещавшие супертонкие аккумуляторы
Если говорить о литиевых батареях, то задача по производству аккумулятора толщиной около 1 мм вполне осуществима. Но если нужно сохранить емкость, физический объем активного вещества в аккумуляторе должен остаться неизменным. Как результат — получится тонкая, но очень широкая батарея. При этом показатели энергетической эффективности устройства будут ниже, чем у его стандартных «собратьев».
Поэтому сверхтонкие литиевые АКБ востребованы лишь в специфических областях приборостроения. Что касается массового рынка, компактные устройства всегда пользуются спросом. Например, в линейке внешних аккумуляторов федеральной дистрибьюторской сети Energon модель Revolter 5000 толщиной всего 5 мм, и такие габариты уже воспринимаются потребителями как супертонкий формат.
Среди технологий, которые позволят сохранить емкость батареи при уменьшении габаритов — стартапы из Японии. К примеру, 3Dom (стартап, который появился в 2014 году в Токийском университете). К 2022 году в планах — производство литий-металлических батарей, которые при таких же габаритах более эффективны, чем современные литий-ионные аккумуляторы.
В основе японской технологии — замена углеродных материалов на металлический литий. Подобная химия обеспечивает более высокую плотность энергии, но одновременно с этим растет риск коротких замыканий и воспламенений.
Стартапы: для долгой службы
Существует много электродных материалов, обеспечивающих выдающуюся устойчивость к циклированию — например, LTO или NMC. Но из-за стоимости такие аккумуляторы недоступны для широкого потребительского рынка. И пока нет предпосылок того, что ситуация скоро изменится.
Но изменения происходят — не только в области химии устройств, но и контролеров, менеджмента заряда, энергоэффективности устройств. Работая в комплексе, они значительно продлевают жизнь аккумуляторов. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, признал: перспективнее улучшение литий-ионных аккумуляторов, а не поиск совершенно новых технологий.
Среди новых технологий, которые собираются предложить рынку — батареи, где дорогие металлы заменены дешевыми и распространенными веществами. Например, американский стартап Conamix обещает убрать кобальт — элемент, который добывают в Конго. Правительство этой республики постоянно поднимает налог на сырье. Текущие разработки позволят уменьшить содержание этого металла в аккумуляторах для электромобилей с 20% до 4%.
Как батареи тормозят развитие перспективных технологий
К сожалению, медленный прогресс в сфере аккумуляторных батарей во многом ограничивает развитие смежных индустрий. Смартфоны, ноутбуки, электромобили становятся все более технологически «нафаршированными» и требуют все больше энергии. Например, активному пользователю смартфона батареи хватает на 6–8 часов. Причем в среднем россиянин каждый день открывает 10–12 приложений. В связи с этим разработчики смартфонов подбирают энергосберегающие программы. Одни производители встраивают приложения в прошивку по умолчанию, другие оставляют выбор за пользователем — предлагают скачать их. Если появятся эффективные батареи, расширятся возможности по использованию программ.
Еще одно направление — солнечная энергия. Большинство установок занимают немало места, а их стоимость высока. Известный факт: львиная часть затрат на развертывание солнечных систем связана с приобретением аккумуляторов, которые будут запасать энергию. Поэтому более дешевые и энергоэффективные накопители обеспечили бы значительно более широкое применение зеленых технологий.
Поиск эффективного хранения энергии происходит и в сфере солнечной энергии. Например, исследователи Стэнфордского университета предлагают альтернативу — использование биологических систем. Технология предполагает извлечение метана с помощью бактерии Methanococcus maripaludis. Затем его планируют преобразовывать в электричество благодаря существующей инфраструктуре.
Есть несколько причин, которые тормозят появление новых более эффективных батарей. Одна из них — чрезвычайно высокая стоимость разработки. По данным Lux Research, в среднем для поддержания работы стартапа, нацеленного на поиск новых решений в сфере хранения и транспортировки энергии, требуется до $40 млн в течение восьми лет. Например, японская компания New Energy & Industrial Technology Development Organization выделила 90 млн на создание батарей нового типа. Но чаще стартаперам приходится искать финансирование. Например, компания StoreDot обратилась к краудфандингу, где удалось привлечь $6,25 млн инвестиций.
Тиражирование новых разработок обойдется еще дороже. Только для создания новой производственной линии и решения сопутствующих задач, по подсчетам, требуется около $500 млн. Поэтому технологии, которые кажутся чудом, не всегда разрабатывают быстро.
Внедрение новых технологий — дело небыстрое. Ведь даже с момента создания стабильных литий-ионных аккумуляторов до старта серийного производства прошло более 10 лет.
Читайте также:
Создать термоядерный реактор на Земле реально. Какие будут последствия?
Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком