Вот взгляд на ближайшее будущее аккумуляторных технологий

К тому времени, когда полковник Брент Уилсон стал командиром базы в Кэмп-Смит на острове Оаху, он участвовал в войнах в Персидском заливе и в Ираке и руководил многочисленными оборонительными операциями в Косово. Но противник, с которым он столкнулся на гавайской базе, отличался от тех, кого он видел на поле боя, будучи пилотом вертолета Корпуса морской пехоты. Ему приходилось бороться со стареющей энергетической инфраструктурой, регулярно разрушаемой тропической погодой.

«Вся энергосистема регулярно выходила из строя, что вывело нас из бизнеса», — объясняет Уилсон, который в то время также был частью команды, отвечавшей за оборонительные операции по всему Тихоокеанскому региону. «Ты не можешь этого иметь».

Но в борьбе с плохой инфраструктурой был и малоиспользуемый союзник: солнечный свет. Уилсон начал кампанию по установке солнечные панели

и промышленные батареи, которые могли бы поддерживать жизненно важные части операции в рабочем состоянии во время штормов. Этот опыт в конечном итоге помог ему начать вторую карьеру: продавать батареи, достаточно большие, чтобы обеспечить питание вашего дома от сети.

Аккумуляторный бум

По данным компании, рынок аккумуляторов за последние несколько десятилетий значительно увеличился и, как ожидается, увеличится еще на 12% в ближайшие пять лет. Мордорская разведка. К 2025 году его рынок составит 90 миллиардов долларов. За последнее десятилетие такие компании, как Tesla, Dyson и Daimler, инвестировали в отрасль миллиарды долларов, либо приобретая более мелкие компании, либо строя новые заводы. Если эта классическая сцена из Выпускник были сняты сегодня, односложный совет о карьере, данный персонажу Дастина Хоффмана, будет не «пластик», а «батарейки».

Что будет стимулировать весь этот рост? Цены на литий-ионные аккумуляторы падают, персональная электроника и электромобили стремительно набирают обороты. и, среди других факторов, все больше домовладельцев и энергетических компаний стремятся хранить солнечную и ветровую энергию. энергия.

Наряду с этим ростом возникает много отходов. К сожалению, большинство аккумуляторов оказываются на свалках. Скорость переработки литий-ионных элементов ужасает: о 5% для США и Евросоюза. Исследователи находят способы сделать литий-ионные батареи более пригодными для вторичной переработки, но даже если это произойдет, нам все равно придется изменить привычки людей и корпораций, которые вообще не перерабатывают батарейки и утилизируют их, выбрасывая в мусор мусор.

Кроме того, некоторые эксперты говорят, что доступное количество лития ограничено, хотя вопрос о том, насколько оно ограничено, остается предметом споров. Добыча его и кобальта (который обычно используется для изготовления положительного электрода литий-ионных аккумуляторов) требует высоких экологических и экологических затрат. человеческая цена. Кроме того, цена на кобальт заметно выросла за последние несколько лет.

В связи с этим возникает вопрос: существуют ли более дешевые и экологически чистые батареи? Можем ли мы использовать что-то лучшее? Что в будущем?

Многие люди исследуют возможности. С 1990-х годов более 300 000 патенты, связанные с батареями было подано (более 30 000 только в 2017 году). Хотя большая часть этих изобретений связана с литий-ионными технологиями, ведется большая работа над твердотельным электролитом, анодом на основе кремния, литий-воздушные, графеновые и другие варианты, некоторые из которых экологически безопасны, а другие экологически не лучше, чем литий-ионные, но, возможно, даже лучше. эффективный.

Хотя большинство этих новых типов аккумуляторов, вероятно, не будут продаваться так широко, как литий-ионные (по крайней мере, в ближайшие пару десятилетий), они могут обслуживать действительно большие нишевые рынки. Вот некоторые из популярных.

Литий-железо-фосфат

Вскоре после того, как полковник. Уилсон ушел из армии, руководители компании по производству солнечных панелей попросили его погрузиться в годы приобретения систем хранения энергии. знаний (военные являются одними из крупнейших пользователей аккумуляторов в мире), съездите на выставку CES в Лас-Вегасе и изучите текущий урожай домашних батареи. После поездки он создал огромную таблицу, в которой объяснил, почему его не устраивают варианты, которые он видел. Лучшие батареи либо были слишком дорогими для среднего домовладельца (более 30 000 долларов), либо не имели достаточной мощности. Затем он работал с НеоВольта создать линейку аккумуляторов, стоимость которых обычно выражается очень низкими двузначными числами.

Экологичные химики быстро скажут вам, что литий-железо-фосфат накопитель энергии — это еще один тип литий-ионной батареи, хотя и обладающий некоторыми заметными преимуществами: он дешевле, имеет более плотная энергия, более длительный срок службы и не загорится, если внутренние части взорвутся (что может случиться с литий-ионным аккумулятором). батарейки). Минусы? Он очень тяжелый (поэтому лучше, если он будет лежать на заднем крыльце, а не в телефоне), в корпусе все еще есть литий, а путь переработки неясен.

Таким образом, лишь немногие используют литий-железо-фосфатные батареи, поэтому сложно определить, насколько хороша степень их переработки. Некоторые исследователи утверждают, что их легче разбить на составные части.

Литий-серный

Некоторые эксперты делают ставку на литий-серные накопители энергии, чтобы заменить литий-ионные, поскольку батареи, как правило, легче и более энергоемкие. Серы также много и она дешевле.

В чем разница между принципом работы литий-ионных и литий-серных аккумуляторов? Профессор Линда Назар, чья лаборатория в канадском Университете Ватерлоо изучает литий-серные батареи в течение последних 10 лет, использует аналогию с гаражом для описания различий. В то время как зарядка и разрядка литий-ионного аккумулятора аналогична вождению автомобиля в гараже и выезде из него, Литий-серная батарея «почти разрушает всю конструкцию гаража, а затем восстанавливает ее при подзарядке». клетка."

Химическая реакция аналогична той, что происходит в свинцово-кислотной батарее, где происходит полное структурное и химическое преобразование. Эти «конверсионные» батареи имеют свои преимущества и проблемы. «У них есть то преимущество, что они способны хранить больше электронов», — говорит Назар. С другой стороны, сера имеет относительно низкую проводимость, и объем аккумуляторов после разрядки меняется. Команда лаборатории Университета Ватерлоо настраивает компоненты батареи, чтобы увеличить срок службы и оптимизировать реакцию батареи. Если некоторые проблемы с батареями будут решены, Назар предполагает, что их можно будет использовать в авиации, а также в дронах. Зефирные самолеты а БПЛА, совершившие некоторые длительные полеты на электричестве, часто используют литий-серные батареи.

Натрий-ионный

Оказывается, элемент таблицы Менделеева, который так вреден для сердца, весьма полезен для батареек. Исследования натрий-ионных аккумуляторов начались в 1970-х годах, примерно в то же время, что и литий-ионные накопители энергии. Эти два элемента являются соседями в периодической таблице. Затем литий-ионные технологии стали популярными, и в течение следующих трех десятилетий натрий-ионные технологии считались менее энергоемкими.

«Похоже, это лучшая вещь», — говорит Назар, чья лаборатория также занимается накоплением энергии на основе натрия. «Натрий-ионные аккумуляторы дают возможность работать с элементами, содержащими большое количество земли — положительными электродами, сделанными из железа, марганца и титана — элементами, которые гораздо дешевле. Но заставить эту химию работать хорошо — непростая задача, потому что это не то же самое, что литий».

Назар отмечает, что некоторые компании не считают целесообразным инвестировать в натрий-ионные аккумуляторы, поскольку стоимость литий-ионных аккумуляторов постоянно падает.

«Я думаю, что, вероятно, стоит инвестировать много ресурсов в натрий-ионные батареи», — говорит она. «Если наступит момент, когда натрий-ионные батареи будут работать действительно хорошо и с высокой плотностью энергии, это будет огромным шагом вперед».

Сахар

Хотите верьте, хотите нет, но вы можете запустить аккумулятор на сахаре, как ребенок, прыгающий на кексах. Sony впервые опубликовала исследование о реакции окисления мальтодекстрина с получением энергии в 2007 году. Хотя материалоемкость и экологичность сахарных аккумуляторов значительно выше, чем у литий-ионных, напряжение, создаваемое их химической реакцией, заметно ниже. Итак, вы, вероятно, не захотите кормить свою Теслу коробкой Crunchberry.

Хотя первоначальная концепция впервые появилась в 2007 году, сахарная батарейка в концепции еще осталось немного сока. В 2016 году команда Массачусетского технологического института под руководством профессора Майкла Страно создала устройство под названием Thermopower Wave, который намного более эффективен, чем предыдущие версии сахарных батарей, и может питать коммерческие светодиоды. свет. Это захватывающая разработка, поскольку сахара очень много, поэтому, если мы сможем найти жизнеспособный способ производства этих батарей, мы, вероятно, сможем быстро масштабировать эту технологию. К сожалению, коммерческая доступность, вероятно, появится через несколько лет.

Поток

Проточная батарея устроена иначе, чем большинство других: вместо упаковки множества реактивных материалов в один блок. (как и обычные батареи), проточные батареи хранят реактивные жидкости в отдельных контейнерах, а затем закачивают их в систему для создания энергия. Они также огромны и предназначены для хранения энергии в сети, а не для электроники и вещей, которые могут удобно поместиться на ладони.

Оригинал проточная батарея по сообщениям, весил 1000 фунтов и был изобретен в конце 19 века для питания умных назвал французский дирижабль «Ла Франс». С тех пор интерес к модульному накопителю энергии то возрастал, то ослабевал. затем.

«Я думаю, что на самом деле причиной взрыва и интереса к проточным батареям является не столько создание следующего поколения батарей для телефоны или компьютеры, но и хранилища энергии среднего и большого масштаба», — объясняет Тимоти Кук, профессор химии в Университете Буффало. Итак, если вы не собираете сотовый телефон в стиле стимпанк, маловероятно, что вы будете носить с собой какие-либо проточные батареи, активируемые микроскопическими насосами. Однако по мере того, как все больше домов устанавливают солнечную энергию, рынок хранения «персонализированной энергии» будет расти.

Увеличение мощности литий-ионных аккумуляторов означает увеличение их размера, но конструкция проточных батарей позволяет увеличить энергию за счет увеличения размера жидкости резервуары. Компания San Diego Power and Electric недавно установила один, который может питать 1000 домов.

«Вам не нужно менять какие-либо размеры мембраны [где происходит химическая реакция], вам просто нужно чтобы пропускать через него больший объем жидкости в течение более длительного времени, и вы можете извлечь эту энергию», — объясняет Готовить. «Таким образом, гораздо проще масштабировать или уменьшать масштаб, или вы можете настроить его в соответствии с установкой».

Проточные батареи также имеют гораздо больше циклов зарядки, чем большинство батарей. Возможность замены жидкостей или других модульных частей означает, что потенциальный срок службы батареи практически неограничен.

Несмотря на то, что компании в настоящее время продают проточные батареи промышленного размера, профессор Кук не ожидает широкого признания в ближайшие пять-десять лет. Он даже представляет себе день, когда эту технологию смогут использовать электромобили. Кук описывает автомобиль, подъезжающий к «заправочной станции», сливающий отработанный электролит, а затем заправляющий свежезаряженный. Вместо того, чтобы ждать полчаса, пока ваша машина перезагрузится, колеса могут снова начать вращаться в считанные минуты. Но, конечно, это будущее еще далеко.

Бумага

Изготовление батареи из бумаги имеет множество преимуществ: она тонкая, гибкая и, если она изготовлена ​​из подходящих материалов, биоразлагаемая. Команда Стэнфордского университета разработала первые бумажные батарейки, покрыв тонкие листы чернилами, насыщенными углеродом и серебром. Совсем недавно экологи были в восторге от батарей, разрабатываемых в Бингемтонском университете. Профессор Сокхын «Шон» Чхве создал несколько различных его воплощений, в том числе одно, питаемое слюной — или, с научной точки зрения, человеческой слюной — и другое, питаемое бактериями. В недавнем воплощении биобатареи, разработанной Чой и профессором Омовунми Садиком, используется полиэфир. (аминовая) кислота и поли(пиромеллитовый диангидрид-п-фенилендиамин) для создания источников энергии. биоразлагаемый.

«Наша гибридная бумажная батарея продемонстрировала гораздо более высокое соотношение мощности и стоимости, чем все ранее сообщалось о микробных батареях на бумажной основе», — сказал Чой, когда была представлена ​​инновация. было объявлено. Хотя коммерческое использование этих экологически чистых бумажных батареек ограничено из-за их низкой электрической мощности (можно питать светодиодную лампу в течение около 20 минут), исследователи надеются увидеть их использование в электронике, беспроводных устройствах, медицинских приложениях, таких как кардиостимуляторы, самолеты и автомобили. Чой написал статью об использовании их в качестве одноразовых источников питания для диагностических инструментов в развивающихся странах, где батареи могут быть недоступны.

Воздух

Воздух на самом деле может быть электрическим, и не только в тот момент, когда вы поднимаете воротник после того, как из динамиков вашего Ferrari звучит мелодия Фила Коллинза. Цинк-воздушные батареи, размером с конфету Smarties и работающие на основе реакции кислорода и цинка, уже много лет используются в слуховых аппаратах. Цинк также дешев и доступен в изобилии, что делает эту технологию экономичной и экологически чистой.

Но существуют ограничения при попытке создать эту технологию. перезаряжаемый. Кристаллы дендрита могут образовываться во время зарядки и вызывать короткое замыкание аккумулятора. Были опробованы способы замены цинка, такие как «механическая подзарядка» аккумулятора путем физической замены материалов — подход, который был опробован в сингапурских электрических автобусах. Было предпринято множество других экспериментов с литий-воздушными и металло-воздушными батареями с различной степенью плотности энергии, уровня мощности и стоимости. За последнее десятилетие Tesla подала несколько патентов, связанных с зарядкой. литий-воздушные батареи, поэтому их потенциал может выходить далеко за рамки ваших слуховых аппаратов.

Железо

Несколько лет назад профессор химии Университета Айдахо Питер Аллен начал выражать свое увлечение наукой о батареях на YouTube. Почти сразу он обнаружил, что зрители действительно реагируют на материал о батареях, что вдохновило его на создание перезаряжаемой железной батареи в качестве образовательной демонстрации. В результате этого проекта было создано более 100 демонстрационных видеороликов, объясняющих этапы, проблемы и выводы проекта создания образовательных батарей.

«Я не хочу позиционировать себя как эксперта по батареям как такового», — признает профессор, чья область знаний — биологическая химия. Снимая видеоролики на YouTube, он понял, что можно многому научиться и научиться, создав относительно дешевый аккумулятор своими руками.

«Части технологии железных батарей существуют уже 100 лет, поэтому я думаю, что многие люди, которые могли бы заняться этим с многие иностранные знания просто сказали бы: «Ну, это протоптанная земля — там ничего не найти», — говорит он. «Но, будучи немного наивным, я подошел и сказал: «Ну, давай попробуем, все равно можно найти что-нибудь интересное».

Спустя два года, более 30 вариантов батарей и большую помощь со стороны студентов, Аллен научились балансировать жидкие и твердые материалы, чтобы создать оптимальную плотность энергии, но с низкой власть.

«Затем мы подошли к вопросу: «Если у вас есть химия, которая работает, но работает медленно, как ее ускорить?»

Даже если команда решит эту задачу, современные технологии показывают, что лучшим применением железной батареи, скорее всего, будет микросетевое хранилище энергии по соседству или улавливание энергии солнечной фермы, учитывая необходимое пространство и скорость передачи энергии из единица.

Кто победит?

Будет ли когда-нибудь железная батарея Аллена коммерчески жизнеспособной? Он не уверен, что текущие результаты его команды, опубликованные в научном журнале, приведут их туда.

Изучив многочисленные изобретения в области аккумуляторов, он понимает, что лишь немногие из них действительно выйдут на рынок. В научных исследованиях, объясняет он, существует «долина смерти».

«У вас есть фундаментальное исследование, которое дает что-то действительно крутое», — говорит он. «Вопрос в том, можно ли это коммерциализировать. И денег нет, чтобы задать этот вопрос». Исследователи, которые найдут достаточно денег, чтобы ответить на этот первоначальный вопрос, затем, если им повезет, найдут инвесторов, которые захотят усовершенствовать и коммерциализировать эту идею. «Но существует разрыв между фундаментальными исследованиями и необходимой доработкой, чтобы сделать аккумуляторы коммерческими».

В 2019 году венчурные капиталисты потонули 1,7 миллиарда долларов в стартапы по производству аккумуляторов, причем 1,4 миллиарда из них пойдут на исследования, связанные с литий-ионными технологиями. Но письменные проверки получили и проточные батареи, воздушно-цинковые, жидкометаллические и многие другие технологии. В то время как литий-ионные накопители энергии, вероятно, будут доминировать в сфере хранения энергии еще как минимум 10 лет, многие другие уже выглядят так, как будто они смогут выбраться из долины смерти.

Рекомендации редакции

• Будущее устойчивого развития: взгляд на следующую эволюцию экологических технологий
• Десятилетия спустя изобретатели литий-ионных аккумуляторов получили Нобелевскую премию по химии
• Инженеры создали новый тип литиевой батареи, которая не взрывается