Телефоны, электрокары, космические станции — для работы всех этих устройств нужны качественные, мощные и надежные батареи, которые выдерживают тысячи циклов зарядки разрядки. Чтобы удовлетворить эти потребности, инженеры и ученые создают необычные аккумуляторы, например, с щелочными металлами, сахаром или углеродом.
Как будет работать батарея будущего?
Международный коллектив ученых во главе с Дарреном Ханом и при участии инженеров LG разработал высокопроизводительную твердотельную батарею с анодом из чистого кремния. Ее назвали батареей будущего, потому что она по своим свойствам превосходит все аналоги.
Чтобы создать такой аккумулятор, авторы скомбинировали два подхода к производству аккумуляторов для электрокаров, поэтому в батарее есть твердотельный электролит и кремниевый анод. Международная группа протестировала получившийся аккумулятор и подтвердила, что он безопасный.
Также его можно использовать не только в электрокарах, но и в электросетях.
Зачем ученые постоянно разрабатывают новые виды батарей? Чем плохи те, что мы используем сегодня?
Чаще всего мы используем литий-ионные батареи, их можно встретить везде: в телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах. Такие аккумуляторы далеки от идеальных: они могут долго хранить энергию и в большом количестве, но быстро изнашиваются, а также требовательны к температуре при использовании и не выдерживают регулярных и мощных вибраций. Последнее сказывается на эксплуатации, например, в электромобилях.
Проблема в том, что кристаллическая структура литий-ионных батарей меняется при каждом цикле зарядки разрядки. Это значит, что расположение атомов, которое изначально обеспечивало необходимую производительность, становится другим.
Также в батарее происходит коррозия. Каждый электрод соединен с коллектором тока, обычно это металл, например, медь для анода и алюминий для катода. Если этот связующий элемент начинает портиться и разрушаться, то будет деформироваться и поверхность коллектора тока. Поэтому если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.
Еще одна проблема современных батарей — материал, из которого их делают. В большинстве используется кобальт — 60% от мировых поставок кобальта идет из Конго, поэтому зависимость рынка крайне высока и из-за проблем с импортом могут страдать глобальные производства.
Если литий-ионные батареи работают неэффективно, новейшие батареи с кремниевыми анодами заменят их?
Да, но все не так просто. У любой технологии есть свои минусы. Сегодня аккумуляторы с кремниевым анодом используют, например, в Tesla. По словам Илона Маска, кремний в аккумуляторах электромобилей помогает увеличить запас хода на 6%. Также у таких батарей сравнительно больше удельная емкость — она составляет около 3 600 мА*ч/г.
Но есть и проблемы: например, этот тип анода отличается неустойчивостью, поэтому может быть опасен при эксплуатации. Если он контактирует с жидким электролитом, то кремний плохо справляется с хранением энергии. В таком случае электрический двигатель теряет свою мощность. Именно поэтому сегодня батареи не делают полностью из кремния. Если его процент невелик, то и рост производительности остается минимальным.
Какие еще батареи могут в будущем появиться в наших устройствах?
- Литий-углеродная батарея
Инженеры из компании Mahle вместе с производителем аккумуляторов Allotrope Energy создали новую архитектуру литий-углеродных аккумуляторов на основе суперконденсаторов. Новая батарея сделана из высокоскоростного анода в сочетании с катодом. Обе части разделяет органический электролит. С помощью нее можно быстро заряжать суперконденсаторы и хранить энергию с высокой плотностью. Разработчикам удалось зарядить с ее помощью электрический мопед за 90 секунд.
- Литий-серная батарея с сахаром
Авторы другой научной работы создали литий-серную батарею и использовали сахар, чтобы сделать ее более стабильной. Некоторые вещества на основе сахара могут предотвращать деградацию в геологических отложениях, а также поддерживают прочные связи между сульфидами. В результате батарея с сахаром продемонстрировала производительность около 700 мА*ч/г и работала более 1 000 циклов.
- Батарея с хлором из щелочных металлов
Исследователи из Стэнфордского университета разработали аккумуляторную батарею с хлором из щелочных металлов: она основана на обратном химическом превращении хлорида натрия (Na/Cl2) или хлорида лития (Li/Cl2) в хлор. Полученная ячейка показала довольно высокую разрядную емкость — 2 800 мА*ч/г катода. Но после первого цикла использования емкость уменьшилась в два раза. Несмотря на это, аккумулятор показал хороший результат.
Батареи будущего будут сделаны из распространенных и легко утилизируемых материалов, а также начнут хранить энергию с высокой плотностью и почти не подвергаться коррозии. Пока что инженерам и физикам не удалось создать идеальную формулу для батареи, но потребность в эффективном хранении энергии продолжает расти, поэтому мы увидим еще много необычных решений в этом направлении.
Читать далее
Хокинг был прав, но иногда ошибался: самые смелые идеи ученого
Лекарства, которые прописывают при гриппе, могут помогать вирусу
Китайская гиперзвуковая ракета облетела весь земной шар. Как это возможно и что о ней известно