Батареи из камня не желаете? Нас ждет новая революция в сфере аккумуляторных батарей? Обо всем этом сегодня.
Во всем мире уже давно идет гонка за достижение максимально возможной эффективности так называемой зеленой энергетики. Возобновляемые источники энергии, которые не выбрасывают парниковые газы в атмосферу – это будущее нашей цивилизации, в котором уже никто не сомневается. Это уже не просто мечты, а потребность дня. Ученые все больше и больше бьют тревогу, призывая нас экономить электроэнергию и стараться максимально эффективно использовать электрические приборы.
Тоже интересно: Обзор Motorola Edge 40: тот самый “топ за свои деньги”
Литий-ионные аккумуляторы уже не настолько эффективны
Большинство устройств на батарейках или аккумуляторах, от старых проигрывателей Walkman до новейших смартфонов или электромобилей, основаны на литий-ионных технологиях (Li-ion). Они уже много лет используются в большинстве электрических приборов и технологических устройствах, хотя и не являются очень энергоэффективными и долговечными. К тому же, их утилизация со временем становится настоящей проблемой для экологической ситуации нашей окружающей среды.
Литий-ионные батареи ставят почти везде, ведь они дешевые и имеют высокую производительность. Поскольку стоимость этих батарей значительно снизилась за последнее десятилетие, они становятся наиболее жизнеспособной альтернативой для длительного использования, просто благодаря их большому количеству. Сегодня эти батареи достигли низкой стоимости и увеличения плотности энергии не благодаря технологическим прорывам, а благодаря простой и настойчивой инженерной оптимизации методов производства, инструментов и эффективности.
Однако с развитием новых методов и технологий производства электроэнергии спрос на эффективные методы ее хранения растет. В небольших масштабах с этим проблем нет – решением являются различные виды батарей и аккумуляторов, которые сейчас стали таким же неотъемлемым элементом реальности, как и само электричество.
Они используются для питания телефонов, различных типов освещения, когда-то они были нужны для использования фонариков или проигрывателей, хотя все это сейчас есть в наших смартфонах. Но как сохранять энергию, необходимую для питания всего домохозяйства? Оказывается, аккумуляторы и в этом случае могут пригодиться. Конечно, речь идет не об аккумуляторах типа популярных “пальчиков”, имеющихся в магазинах, а о совершенно новых устройствах, которые сами по себе являются захватывающими инженерными достижениями.
Уже довольно давно продолжаются исследования по разработке новых батарей, которые могут конкурировать с литий-ионными аккумуляторами с точки зрения производительности, стоимости и долговечности.
Многие из этих новых технологий не являются абсолютно новыми. По сути, они работают аналогично литий-ионным аккумуляторам, но с использованием различных материалов. Вот несколько самых интересных примеров технологий, которые вскоре могут революционизировать сферу хранения электроэнергии.
Читайте также: Google Bard AI: все, что вам нужно знать
Твердотельные аккумуляторы
Этот тип аккумуляторов, в отличие от других, использует не жидкие или гелевые электролиты, а твердые формы. Такие электролиты обычно бывают в виде керамики, стекла, полимеров или сульфитов. Твердотельные батареи более эффективны, поскольку они обеспечивают больше энергии при тех же размерах, что и литий-ионные аналоги. Они имеют большой потенциал, особенно в сфере питания электромобилей.
Твердотельная батарея имеет потенциал для решения большинства вышеперечисленных проблем с современными литий-ионными батареями. Стеклянная твердотельная батарея может иметь в три раза более высокую плотность энергии благодаря использованию анода из щелочного металла (лития, натрия или калия), который увеличивает плотность энергии катода и обеспечивает длительный срок службы. Твердый электролит считается негорючим или, по крайней мере, устойчивым к самовозгоранию. Негорючий характер твердотельных батарей также снижает риск перегрева, позволяя плотнее упаковывать элементы, и таким образом повышать гибкость конструкции и объемную плотность.
Большие надежды относительно этих батарей связаны с тем, что они могут служить намного дольше. А это большой плюс в современном мире.
Однако твердотельные батареи в настоящее время находятся на низком уровне технологической готовности, и фундаментальные исследования все еще продолжаются, что вызывает неопределенность и беспокойство, связанные с высокой стоимостью производства и масштабируемостью. Проблема заключается также во введении твердых электролитов в процесс, совместимый с современной производственной практикой, что не должно влиять на долговечность или стоимость конечного продукта, и, к тому же, добавлять такие преимущества, как лучшая плотность энергии и мощности, повышенная безопасность и более высокая пропускная способность.
Читайте также: Проблемы геоинженерии: Евросоюз запретит ученым “играть в Бога”
Литий-серные аккумуляторы
Литий-серные (Li-S) батареи начали разрабатываться и исследоваться с 60-х годов прошлого века как эффективное устройство для накопления энергии с помощью обратимых электрохимических реакций. Несмотря на быстрое развитие и коммерциализацию технологии литий-ионных аккумуляторов (LIB), не было достигнуто никакого прорыва для решения критических технических проблем, с которыми сталкиваются литий-ионные аккумуляторы в течение десятилетий. Поэтому в 2000-х годах Li-S батареи снова вернули значительный интерес разработчиков благодаря их преимуществам – низкой стоимости и высокой теоретической удельной энергии. Эти показатели почти в 3 раза превышают характеристики текущих литий-ионных аккумуляторов. Низкая стоимость и высокое содержание серы (то есть активного материала катода) делает литий-серные аккумуляторы более привлекательными, чем литий-ионные, учитывая тот факт, что последние используют критические материалы, такие как кобальт и никель, в производстве катодов.
А в литий-серных батареях катод, который является одним из двух электродов в батарее, будет изготовлен из серы. Этот элемент более сбалансирован, чем традиционные никель и кобальт. Такие аккумуляторы более эффективны, чем литий-ионные. Это, очевидно, может привести к большей дальности хода автомобилей, в которых они будут использоваться. Можно сказать, что большим плюсом этих батарей является то, что сера это недорогое и распространенное сырье. При этом процесс производства таких аккумуляторов очень похож на тот, который используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов, а значит, для их производства можно использовать то же оборудование и производственные мощности.
Еще одним преимуществом этих типов аккумуляторов, является меньшее количество энергии, необходимой для их изготовления, почти на 25%. Все эти особенности могут сделать производство литий-серных батарей очень рентабельным.
Разработки уже идут полным ходом. В этой сфере самых значительных успехов достигла компания Lyten. У нее уже существует целая аккумуляторная платформа LytCell EV. В компании говорят, что их аккумулятор безопаснее и стоит дешевле, чем современные литий-ионные батареи, и его можно будет использовать в серийных электромобилях, изготовленных в США до середины этого десятилетия.
Также интересно: Все о новой системе навигации MuWNS: Работает под землей и под водой
Железо-воздушные батареи
Этот тип аккумуляторов работает на основе процесса окисления железа с использованием воздуха. В процессе подзарядки окисленные вещества превращаются обратно в железо в процессе, известном как обратное окисление. Ожидается, что железно-воздушные батареи будут распространены в ближайшем будущем, главным образом благодаря потому, что они позволят хранить энергию почти в 25 раз дольше, чем литий-ионные батареи.
Из-за очень больших запасов как железа, так и воздуха, такие батареи, безусловно, стоили бы намного дешевле. По оценкам, их цена может быть ниже существующих батарей примерно в 10 раз! К сожалению, у таких аккумуляторов есть один существенный недостаток – из-за медленной скорости окисления железа их зарядка может занимать много времени.
Успешно разработкой железо-воздушных батарей занимается стартап Form Energy, который возник на базе известного Массачусетского технологического института (MIT). Аккумуляторы Form Energy, как утверждают разработчики, в десять раз дешевле литиевых, и в них используется железо, количество которого в мире огромно. При этом железо-воздушные батареи могут служить дольше, чем литиевые, а также являются более безопасными, поскольку не являются легковоспламеняющимися.
Единственным недостатком, который наблюдается в данный момент, является то, что эти батареи медленно заряжаются, что делает их менее жизнеспособным вариантом, чем литиевые, например, в случае ноутбуков или смартфонов. С другой стороны, они являются отличным решением для накопления энергии на уровне национальной энергетической сети, поскольку могут обеспечить 100 часов хранения энергии, что намного дольше, чем литиевые батареи, которые работают до шести часов. Таким образом они могут способствовать интеграции крупномасштабных солнечных парков и ветровых электростанций.
Также интересно: Феномен Bluesky: что за сервис и надолго ли?
Батареи из щебня
Еще одним интересным примером нового типа батарей являются те, которые хранят тепло вместо электричества. Например, израильская компания Brenmiller Energy работает над использованием альтернативных материалов, таких как горные породы, для хранения тепловой энергии. С 2012 года Brenmiller Energy использует щебень сначала для генерации, а затем для хранения тепловой энергии. Такие технологии, в свою очередь, могут использоваться для различных целей, например, в промышленности.
Интересно, что использование щебня для хранения энергии – идея не совсем новая. NASA, имеющее на своем счету множество новых технологий, проводит испытания технологий хранения тепловой энергии с семидесятых годов прошлого века. В отличие от обычных, батареи, произведенные израильской компанией, используют энергию для получения пара, горячей воды или горячего воздуха. Brenmiller Energy заявляет, что ее завод под названием Tempo будет способен накапливать до 35 МВт·ч энергии, что позволит производить до 14 тонн пара в час.
Это очень важно для экономики Израиля, где до 45 процентов всех выбросов, связанных с энергетикой, приходится на сектор промышленных систем отопления. Этот проект заключается в замене паровых котлов, работающих на традиционном ископаемом топливе.
Новые реалии требуют новых решений. Появление новых типов аккумуляторов будет способствовать развитию технологий в сфере энергосбережения. Возможно через несколько лет ваш ноутбук или смартфон уже не нужно будет заряжать каждый день, потому что он будет работать месяц, а может и год, на одном заряде. Кроме того, новый тип аккумулятора не только будет экономить энергию, но и способствовать сохранению окружающей среды.
Читайте также: