Будущее: Наука и техника: Lenta.ru
В первой половине XXI века человечество начинает отказываться от машин на двигателе внутреннего сгорания. Традиционные средства передвижения перестанут производить уже скоро — на горизонте 10-20 лет отказ от ДВС кажется вполне реальным. Осталось только решить проблемы электрических силовых установок — новых источников движения. Что тормозит развитие автомобилей на электротяге, какие существуют недостатки современных аккумуляторов и как улучшить батареи, — читайте в материале «Ленты.ру».
Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.
В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?
Проблемы быстрых людей
Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал.
Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.
Кадр: Real World Police / YouTube
Так как Tesla находится в авангарде рынка электрокаров (по крайней мере, в медийном плане), все проблемы продукции концерна рассматривают под микроскопом. Как и автомобили других производителей, машины Tesla попадают в ДТП, горят, взрываются, но к транспортным средствам будущего всегда приковано повышенное внимание. Дорожно-транспортные происшествия, как правило, возникают из-за двух моментов — проблем с автопилотом и аккумулятором. Если первое можно исправить на уровне софта, то неполадки с батареями будут внушать опасения на протяжении всего срока эксплуатации авто — как минимум их нынешним хозяевам.
Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных.
Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.
Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.
Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.
Что с экологией? Как и в случае с экономикой, вопрос безопасной переработки будет решен благодаря эффекту масштаба. Ученый Ханс Эрик Мелин полагает, что как только на рынке окажется огромное количество изношенных батарей — буквально миллионы тонн, — то сразу появится адекватное предложение. Утилизировать аккумуляторы будет экономически обоснованно. Это видно на примере свинцово-кислотных аккумуляторов, которые успешно перерабатываются, даже несмотря на то, что свинец является очень дешевым материалом. «Из-за объема утилизировать его выгодно», — считает специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто Хареш Камат.
Как нам обустроить EV?
Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час.
Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.
Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.
«Литий-кремниевые и твердотельные аккумуляторы — это технологии, на которых будут основаны будущие электрокары», — заявил ведущий аналитик ABI Research Джеймс Ходжсон. Твердотельные батареи отличаются от традиционных тем, что основаны на плотных материалах, например, керамике или стекле. Преимущества подобных аккумуляторов очевидны. Во-первых, чем меньше деталей в компоненте, тем ниже риск поломки. Во-вторых, твердотельные батареи сохраняют 90 процентов емкости даже после пяти тысяч циклов, в-третьих, рассчитаны на быструю зарядку — до 80 процентов за 15 минут.
Основная проблема твердотельных элементов заключается в их дороговизне.
Однако и литий-ионные батареи всего каких-то 20 лет назад были дороги в производстве и эксплуатации
Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.
В результате такого самонагрева можно не беспокоиться о неравномерном распределении лития в компоненте или — простыми словами — о возникновении опасной ситуации в процессе быстрой зарядки. Благодаря своей конструкции, литий-железо-фосфатные аккумуляторы предпочтительны в использовании в спортивных электромобилях.
«Машина с такой батареей может разгоняться с нуля до 60 километров в час за три секунды и будет “топить”, как Porsche», — отметил заведующий кафедрой машиностроения университета Чао-Ян Ван.
Фото: Michele Tantussi / Reuters
Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.
Материалы по теме:
Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей.
В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.
Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.
Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.
***
Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.
Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.
Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе
В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г. Ковентри. Jason Alden / BloombergАккумуляторные батареи используются повсюду − в наших телефонах, ноутбуках и автомобилях, но недорогими и высокопроизводительными источниками энергии будущего они до сих пор не стали. Целый ряд европейских и швейцарских научно-производственных инициатив пытается сейчас нащупать пути к инновационному прорыву в этой перспективной области.
Этот контент был опубликован 17 сентября 2021 года — 07:00Редактор русскоязычной версии Надежда Капоне.
«Благодаря применению аккумуляторов можно сократить на 30% углеродные выбросы в транспортном и энергетическом секторах, обеспечить электричеством дополнительно 600 млн человек, а также создать по всему миру 10 млн долговременных и экологически устойчивых рабочих мест», — сказано в недавно опубликованном ежегодном докладе Всемирного экономического форума в Давосе, штаб-квартира которого расположена в местечке Колоньи в пригороде Женевы. Пока доминирующую роль на рынке батарей и аккумуляторов играет Азия, причем более 90% их производства приходится на Китай, Ю. Корею и Японию.
Но Европа намерена уже в скором времени сократить свое отставание. Европейский союз, уступая требования местных гигантов автомобилестроения, намерен скоро запустить массовое производство аккумуляторных батарей и ячеек (модульных элементов перезаряжаемых батарей), с тем чтобы положить конец технологической зависимости от зарубежных производителей. «В настоящее время мы просто пытаемся наверстать упущенное, но основная идея ЕС заключается в том, чтобы создать собственную производственно-инновационную базу для разработок в сфере производства аккумуляторов».
Об этом мы беседуем с Корсин Баттальей (Corsin BattagliaВнешняя ссылка), экспертом Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EmpaВнешняя ссылка). Швейцария не входит в Евросоюз, но принимает активное участие в европейских научных проектах по разработке аккумуляторов нового поколения. Четыре года назад с целью наращивания производственных мощностей и развития научно-исследовательского потенциала в данной сфере по инициативе Еврокомиссии был создан Европейский аккумуляторный альянс (European Battery Alliance).
Показать больше
По данным НКО Transport & Environment, в рамках этой инициативы по всей Европе запланировано построить почти 40 заводов по производству батарей, так называемых «гигафабрик». Если все они в самом деле заработают, то к 2025 году старый свет сможет обеспечить себе долю мирового рынка аккумуляторов в 20%, что в годовом выражении составит торгово-промышленный оборот на ровне в 250 млрд евро или 270 млрд швейцарских франков.
Площадь огромного завода по производству литий-ионных батарей достигает 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. Фабрика Northvolt заявляет, что сможет выпускать батареи в количестве, необходимом для производства одного миллиона электромобилей в год. В настоящее время создание гигафабрик в Швейцарии не планируется, но страна и ее огромный научный потенциал тесно связаны с европейскими усилиями по разработке модели аккумулятора будущего.
Огромный завод по производству литий-ионных аккумуляторов Northvolt Ett на севере Швеции будет занимать площадь более 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. William Steel (Northvolt)«Идет ли речь о сырье и материалах, о сборке аккумуляторных ячеек в единую батарею, о системах менеджмента, о переработке, утилизации или о системах хранения энергии − в Швейцарии есть большое число компаний, активно работающих в области производства аккумуляторов, а некоторые даже являются мировыми лидерами этой отрасли», — говорит Корсин Батталья.
Самовосстанавливающиеся батареи
На протяжении последних десятков лет доминирующей технологией хранения электроэнергии были литий-ионные батареи, и ожидается, что спрос на них вырастет в течение следующего десятилетия в десять раз. За последние 30 лет стоимость литиевых батарей упала почти на 100%, но наука в направлении совершенствования таких батарей практически никак не продвинулась. Для удовлетворения будущего спроса на такие аккумуляторы нам потребуются альтернативные технологии, обеспечивающие повышенные сроки службы их элементов и повышение общей емкости данных батарей.
Именно этим и занимается European Battery 2030+, европейская инициатива в области исследований и разработок аккумуляторных батарей с общим бюджетом в 40 млн евро. Инициатива был запущена в прошлом 2020 году, в нее входят семь крупных исследовательских проектов, реализуемых при поддержке девяти европейских стран, включая Швейцарию. Один из проектов называется HIDDEN, и он ставит перед собой задачу увеличить средний срок службы литий-ионных аккумуляторов и их удельную энергоемкость по меньшей мере на 50%.
Чтобы решить эту проблему, его группа занимается изучением процесса самовосстановления батареи.
Меньше редких металлов
Тем временем Корсин Батталья и его коллеги из Empa координируют европейский исследовательский проект SENSE, целью которого является создание так называемого литий-ионного аккумулятора «поколения 3b» с композитным анодом из кремния и графита и монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта. Целью исследования является повышение удельной энергоемкости батареи, что позволит увеличить дальность пробега транспортных средств, усовершенствовать технологии быстрой зарядки аккумуляторов и сократить объемы использования редких металлов.
«Мы хотим сократить содержание кобальта и повысить содержание никеля», — говорит исследователь из Empa. Кобальт — один из самых дорогих материалов в батарее. Производители стараются сократить его использование, так как его поставки могут в будущем быть связанными со значительными политическими и социальными издержками и рисками. Напомним, что около 70% мировых объемов кобальта поступает на рынок из ДР Конго, а там работа шахтеров сопряжена с опасностью и вредными условиями труда. Основные же мощности по обогащению кобальтовой руды расположены в Китае. «Создание идеальной батареи — задача не из легких, зачастую требующая компромиссного подхода, от чего-то приходится отказываться, чтобы получить на выходе желаемый инженерный результат», — объясняет Корсин Батталья.
Дело в том, что никель, обычно добавляемый в состав батареи, увеличивает мощность аккумулятора и он относительно дешев, но при этом никель приводит к быстрому износу батареи. Ученые в Швейцарии поэтому проводят сейчас эксперименты, добавляя в графитовый анод кремний.
Этот материал представляет собой особый интерес для исследователей, поскольку он способен сохранять примерно в 10 раз больше энергии, чем графит. Но во время циклов заряда и разряда кремний подвержен расширению, что ведет к разрушению структуры анода и быстрой потере производительности. Эксперты Empa также занимаются сейчас разработкой новых датчиков быстрой зарядки для установки их на литий-ионные батареи, с тем чтобы аккумуляторы можно было заряжать быстрее и эффективнее. «Чтобы ускорить процесс зарядки нам нужно получить данные о локальной температуре и ресурсе аккумуляторной батареи, а также быстрее делать замеры внутри её ячеистых элементов», — говорит К. Батталья.
Твердотельные аккумуляторы
Еще одним претендентом на звание аккумулятора будущего является твердотельный аккумулятор с твердым электролитом, которым уже сейчас можно заменять вместо легковоспламеняющихся жидкие электролиты, используемые в обычных литий-ионных аккумуляторах. Такие батареи считаются более экономичными, безопасными, они требуют меньше сырья для их производства.
Корсин Батталья говорит, что такие прорывные технологии сулят нам множество преимуществ, но воспользоваться ими в полном объеме пока не получается, соответствующие разработки пока не готовы покинуть пределы исследовательских лабораторий. По его словам, разработать твердотельную батарею с большой емкостью и длительным сроком службы оказалось не так-то просто. «Сделать такой аккумулятор с удвоенной энергоемкостью не проблема, но, скорее всего, после 20 циклов перезарядки такая батарея выйдет из строя», — объясняет он. Остается обычная батарея.
Хотя батареи можно увеличить вдвое, заменив графит (материал анода литий-ионной батареи) на металлический литий, но слишком быстрая зарядка литий-металлической батареи вызовет образование дендритов, сокращающих срок ее службы. А ведь сумей твердотельные литиевые батареи решить все свои проблемы, с их помощью технологии, лежащие в основе мобильных источников энергии, смогли бы сделать огромный шаг вперед в плане и энергоемкости, и долговечности. В рамках проекта SOLIDIFY, направленного на разработку производственных процессов для так называемых аккумуляторов «поколения 4b», твердотельных аккумуляторов, которые могут быть готовы к выходу на рынок через десять лет, швейцарская структура Empa уже плотно сотрудничает с десятком своих европейских партнеров.
Эффективные системы хранения энергии
В ближайшие десятилетия значительный рост степени востребованности также ожидает стационарные системы хранения энергии.
Литий-ионные аккумуляторы и батареи с монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта, уже используются для хранения солнечной и ветровой энергии, получаемой в условиях домашних хозяйств. Ученые сейчас занимаются поиском альтернатив таким литий-ионным батареям, пытаясь усовершенствовать, например цинковые, натрий-ионные и ванадиевые аккумуляторы, которые, как оказалось, хорошо подходят для стационарного хранения энергии.
Однако для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на такие хранилища и обеспечить их ценовую конкурентоспособность, необходимо еще приложить значительные усилия. Швейцарское ведомство Empa является одним из двенадцати партнеров, которые как раз и занимаются активизацией таких усилий в рамках европейского аккумуляторного проекта SOLSTICE, в котором также участвуют швейцарские фирмы FZSONICK и Quantis. Их цель заключается в разработке никель-солевых термальных аккумуляторных батарей на основе жидких натрия и цинка, которые работают только при высоких температурах и которые можно использовать для стационарного хранения энергии.
По словам К. Баттальи, по мере быстрого увеличения в ближайшие десятилетия спроса на стационарные накопительные системы и в связи с ростом числа электромобилей на дорогах спрос на инновационные аккумуляторы также будет возрастать, а это значит, что многие швейцарские фирмы, помимо уже имеющихся игроков, также смогут получить свою долю прибыли. «Ко мне часто обращаются швейцарские компании, которые не связаны напрямую с аккумуляторной отраслью, но, имея за плечами знания и опыт в сфере производства и интеграции (разных производственных процессов в единую систему), они все чаще рассматривают эту отрасль в качестве направления на рынке, перспективного и для них тоже».
Сотрудничество компаний Lonza и Natron Energy
Еще один крупный проект в области технологий хранения энергии реализуется сейчас в Швейцарии в рамках сотрудничества между биохимической компанией Lonza, расположенной в кантоне Вале, и американской компанией Natron Energy. В апреле 2021 года они объявили о достижении стратегического соглашения с целью поставки порошка берлинской лазури (синий пигмент/железисто-синеродистая соль окиси железа), необходимого для производства натриево-ионных аккумуляторов.
Один из бизнесов компании Lonza, компания Lonza Specialty Ingredients, будет производить порошок берлинской лазури для Natron Energy на своем предприятии в городе Фисп (Visp, кантон Вале). С конца следующего 2022 года этот пигмент будут использовать на производстве аккумуляторных электродов на новом предприятии этой компании, рассчитанном на примерно 100 сотрудников и расположенном недалеко от г. Сьон. Оттуда электроды швейцарского производства будут экспортироваться в США для использования в накопителях энергии от компании Natron.
В соответствии со стандартами JTI
Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch
Показать больше
Три аккумуляторные технологии, которые могут обеспечить энергией будущее | Saft
Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме. Наши стратегии хранения энергии в настоящее время формируются за счет литий-ионных аккумуляторов, являющихся передовыми технологиями, но на что мы можем рассчитывать в ближайшие годы?
Начнем с основных сведений об аккумуляторах.
Батарея представляет собой набор из одного или нескольких элементов, каждый из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование для них различных химикатов и материалов влияет на свойства батареи — сколько энергии она может хранить и выдавать, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз ее можно разряжать и перезаряжать (также называемая циклической емкостью).
Аккумуляторные компании постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и более мощные химические вещества. Мы поговорили с Патриком Бернардом, директором по исследованиям Saft, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с трансформационным потенциалом.
ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Что это?
В литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторах накопление и высвобождение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного электрода к отрицательному туда и обратно через электролит.
В этой технологии положительный электрод действует как первоначальный источник лития, а отрицательный электрод — как носитель лития. Несколько химических элементов собраны под названием литий-ионных аккумуляторов в результате десятилетий отбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве материалов для положительных положительных результатов. Графит, а также графит/кремний или литированные оксиды титана используются в качестве негативных материалов.
Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология достигнет предела энергопотребления при использовании реальных материалов и конструкций элементов. Тем не менее, недавние открытия новых семейств прорывных активных материалов должны разблокировать нынешние ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность.
Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.
Каковы его преимущества?
Сегодня среди всех современных технологий хранения данных технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает самый высокий уровень плотности энергии. Такие характеристики, как быстрая зарядка или рабочий температурный диапазон (от -50°C до 125°C), могут быть точно настроены благодаря большому выбору конструкций элементов и химических составов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также цикличность, обычно тысячи циклов зарядки/разрядки.
Когда можно ожидать?
Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто до первого поколения твердотельных аккумуляторов. Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морского, железнодорожного, авиационного и внедорожного), где требуется высокая энергия, высокая мощность и безопасность.
АККУМУЛЯТОРЫ ЛИТИЙ-СЕРНЫЕ
Что это такое?
В литий-ионных батареях ионы лития накапливаются в активных материалах, действующих как стабильные структуры-хозяева во время заряда и разряда. В литий-серных (Li-S) батареях нет структур-хозяев. При разрядке литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения; при зарядке происходит обратный процесс.
Каковы его преимущества?
В Li-S аккумуляторе используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-иона. Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.
Компания Saft выбрала и одобрила наиболее многообещающую технологию Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и устраняет основные недостатки жидкого Li-S (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т.
д.).
Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные благодаря превосходной гравиметрической плотности энергии (на кону +30% в Втч/кг).
Когда ждать?
Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к полномасштабным прототипам.
Ожидается, что эта технология появится на рынке сразу после полупроводниковых литий-ионных аккумуляторов для приложений, требующих длительного времени автономной работы.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ
Что это?
Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологии. В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (это также называется ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития мигрировать внутри него.
Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет — благодаря интенсивным исследованиям во всем мире — были открыты новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, аналогичной жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот особый технологический барьер.
Сегодня усилия компании Saft Research & Development сосредоточены на двух основных типах материалов: полимерах и неорганических соединениях с целью синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…
Каковы его преимущества?
Первым огромным преимуществом является заметное повышение безопасности на уровне элемента и батареи: твердые электролиты негорючи при нагревании, в отличие от их жидких аналогов. Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с высокой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения в результате снижения саморазряда. Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.
Поскольку аккумуляторы могут иметь высокое отношение мощности к весу, они идеально подходят для использования в электромобилях.
Когда ждать?
Несколько видов полностью твердотельных батарей, вероятно, появятся на рынке по мере развития технического прогресса. Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.
В центре внимания науки и техники: передовые батареи
Почему это важно
Батареи имеют решающее значение для питания многих наших повседневных технологий. Повышенный спрос в таких областях, как транспорт и хранение электроэнергии, потребует более долговечных аккумуляторов с большей емкостью. Научные достижения в области аккумуляторов могут удовлетворить спрос на большее количество накопителей энергии, а также обеспечить безопасность, экономичность и устойчивость этих аккумуляторов следующего поколения.
Однако проблемы остаются.
Технология
Что это?
Аккумулятор — это устройство для накопления энергии, состоящее из химического раствора, называемого электролитом, и сепаратора, который служит барьером между двумя выводами — анодом и катодом. Во время использования электролит обеспечивает поток заряженных частиц, таких как ионы лития, от анода к катоду. Это создает электрический ток, который течет от батареи к устройству через внешнюю цепь. Зарядка аккумулятора меняет этот процесс. Различные приложения, такие как электромобили или системы хранения электроэнергии, требуют различных свойств батареи, таких как размер, вес, портативность или продолжительность использования, каждое из которых сопряжено с компромиссами.
Рисунок 1. Пример работы перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов во время использования
Большинство текущих исследований аккумуляторов сосредоточено на системах на основе лития, которые могут хранить большое количество энергии в небольшом объеме и подвергаться множеству циклов зарядки.
По данным Американского химического общества, к 2025 году литий-ионные батареи составят 70 процентов рынка перезаряжаемых батарей. Чтобы удовлетворить этот спрос, потребуется увеличить предложение лития, что побудит к усилиям по разработке передовых аккумуляторных технологий, в которых используются более земные материалы. и уменьшить зависимость от материалов иностранного производства.
Как это работает?
Ученые изучают, как заменить критические элементы в различных компонентах литий-ионных аккумуляторов, чтобы повысить их производительность и безопасность при использовании более устойчивых, широкодоступных и экономичных материалов. Например, стандартный материал, используемый для анода литий-ионных аккумуляторов, — это графит — тот же чешуйчатый углеродный материал, который используется в карандашах. Однако кремний является дешевым и более доступным материалом, который безопаснее и потенциально может хранить в 10 раз больше лития по весу.
Альтернативные катодные материалы также тестируются для литий-ионных аккумуляторов.
Например, в катоде обычно используются различные оксиды металлов, которые взаимодействуют с литием и придают аккумулятору различные характеристики. В качестве альтернативы литий-серные батареи содержат катод на основе серы, который реагирует с ионами лития с образованием сульфида лития, что позволяет элементам хранить в 5 раз больше энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Сера является распространенным элементом, который можно добывать в США. Это делает ее более устойчивой альтернативой другим широко используемым металлам в катодах литий-ионных аккумуляторов, таким как кобальт, который является дорогостоящим и может поступать из зарубежных шахт с противоречивыми методами труда или добычи. .
Еще одно усовершенствование заменяет обычно жидкий электролит, который может быть горючим и может загореться при перегреве, более безопасными и стабильными материалами. Например, использование твердого электролита, такого как керамика или стеклообразный материал, может предотвратить образование кристаллов соли лития, которые могут вызвать короткое замыкание в цепи аккумулятора и вызвать возгорание.
Эти твердотельные батареи могут хранить в два раза больше энергии, чем обычные литий-ионные батареи, увеличивая продолжительность работы батареи до ее перезарядки.
Литий-ионные батареи, как правило, предназначены для кратковременного использования. Перезаряжаемые металло-воздушные батареи и проточные батареи могут обеспечить более длительный срок хранения, что может обеспечить преимущества в хранении прерывистой энергии, производимой из возобновляемых источников, для использования при необходимости. Металло-воздушные батареи используют металлический анод в паре с пористым катодом, чтобы обеспечить поступление кислорода из окружающего воздуха. Поскольку одна клемма пористая, эти батареи легче обычных батарей. Исследователи исследовали различные металлы, такие как алюминий, литий, натрий, олово и цинк, на предмет потенциального использования. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Например, алюминиево-воздушная батарея легкая, пригодна для вторичной переработки, изготовлена из обычных материалов и дешева, но ее трудно перезаряжать из-за склонности к коррозии.
В отличие от стандартных перезаряжаемых аккумуляторов, проточные аккумуляторы хранят жидкие электролиты во внешних резервуарах. Поскольку для внешних резервуаров нет ограничений по размеру, емкость проточной батареи может быть увеличена по мере необходимости. Это делает их идеальными для хранения большого количества энергии для сети, но менее полезными в портативных приложениях, таких как электромобили.
Рис. 2. Пример работы проточных аккумуляторов для энергосистемы
В одном из самых передовых проточных аккумуляторов в электролите используются ионы ванадия. Ванадий дорог и дефицитен; тем не менее, ионы ванадия стабильны и могут проходить через батарею снова и снова, не подвергаясь нежелательным побочным реакциям, теоретически обеспечивая неограниченное хранение. Однако ванадиевые батареи не могут хранить много энергии в небольшом объеме, поэтому требуются большие внешние резервуары, чтобы удерживать достаточную мощность, чтобы быть полезными.
Исследователи изучают различные химические вещества для проточных батарей, в том числе бромно-цинковые, в которых используются недорогие и легкодоступные материалы.
Насколько он зрелый?
Достижения в области литий-ионных аккумуляторов находятся на разных стадиях исследований, но в настоящее время ни один из них не используется в коммерческих целях для электромобилей или энергосистем. Аккумуляторы с катодами на основе серы, анодами на основе кремния и твердыми электролитами находятся на экспериментальной стадии для транспортных приложений, а последние два тестируются для использования в электромобилях. Аккумуляторы с кремниевыми анодами имеются в продаже только в мелкой электронике.
Неперезаряжаемые металло-воздушные батареи можно найти в таких устройствах, как слуховые аппараты; однако в настоящее время ни одна химия перезаряжаемых металло-воздушных батарей не достигла крупномасштабной коммерциализации. Большая часть химических исследований проточных батарей проводилась в небольших лабораториях; однако проточные батареи используются в коммерческих целях для нескольких сетевых и накопительных приложений, в том числе в США, Японии и Австралии.
Возможности
- Усовершенствованные батареи могут стать ключом к отказу от ископаемого топлива для транспорта и производства электроэнергии. Например, они могли бы помочь энергосистеме хранить большее количество прерывистой энергии из возобновляемых источников для использования в периоды, когда погодные условия не производят достаточного количества энергии или требуется всплеск энергии.
- Увеличение емкости аккумулятора и количества циклов зарядки с помощью передовых аккумуляторных технологий может помочь электромобилям проехать больше между зарядками и увеличить срок службы аккумулятора. Аккумуляторы
- Advanced могут быть разработаны с использованием более распространенных материалов или материалов местного производства, что снижает зависимость США от дорогостоящих материалов с потенциальными проблемами цепочки поставок или угроз национальной безопасности, таких как литий или ванадий.
Вызовы
- Высокие начальные затраты на производство передовых аккумуляторных технологий.
