Хотите проехать пятьсот миль за доллар? Хотите, чтобы ваш смартфон отображал компьютерную графику консольного качества и заряжался раз в неделю? Хотите иметь возможность использовать легкие носки в стиле Google Glass в течение нескольких недель, не беспокоясь о зарядке?
Все эти замечательные технологические приложения ждут от лучших батарей. Технология аккумуляторов росла медленнее, чем другие технологии (например, скорость процессора и объем памяти компьютера), и в настоящее время является длинным полюсом палатки в ошеломляющем числе отраслей. Есть веские основания полагать, что мы достигли некоторых фундаментальных ограничений для современной литий-ионной технологии, и на горизонте есть ряд захватывающих технологий. Сегодня мы рассмотрим четыре наиболее перспективных варианта.
Более качественные аккумуляторы делают электромобили практичными, отвлекают мобильные устройства от беспокойства о заряде и позволяют создавать совершенно новые классы легких, долговечных носимых устройств. Вот как они собираются это сделать:
3. Двухуглеродные батареи
Помимо того, что мы не настолько плотны, как нам хотелось бы, существуют и другие серьезные ограничения для существующей технологии литий-ионных аккумуляторов — в частности, время зарядки, летучесть и деградация.
Для зарядки литий-ионных аккумуляторов требуется время — часто несколько часов, даже при использовании самых современных технологий, и, хотя они, вероятно, безопаснее бензина, они нагреваются во время работы (особенно высокопроизводительные аккумуляторы, такие как используемые в электромобилях). Если тепловыделение не управляется должным образом, возникающая реакция может привести к пожару или даже взрыву.
Что еще хуже, цикл зарядки-разрядки литий-ионных батарей разрушителен: после всего двухсот пятидесяти циклов зарядки-разрядки литий-ионные батареи уже потеряли около двадцати процентов своей емкости хранения. Это хорошо для рынков, таких как смартфоны, где люди заменяют свои устройства каждый год или два в любом случае, но это проблема для рынков, таких как электромобили, которые люди, вероятно, хотели бы использовать годами, не заменяя токсичный и дорогой компонент батареи.
Теперь компания Power Japan Plus считает, что у нее есть решение в виде «двухуглеродной» батареи. Эта аккумуляторная технология заменяет анод и катод батареи (положительные и отрицательные клеммы, как правило, изготовленные из высокореактивного металла, такого как оксид лития), на простой углерод, который является довольно инертным. В результате получается батарея, которая не накапливает значительно больше энергии, чем литий-ионная технология, но учитывает многие другие ограничения существующих батарей.
Двухуглеродные аккумуляторы могут заряжаться в двадцать раз быстрее, чем литий-ионные технологии, не выделяют тепло во время работы и имеют гораздо меньшую вероятность воспламенения. Они также разлагаются гораздо медленнее (они хороши примерно для трех тысяч циклов). Поскольку углерод легкодоступен и химически безвреден, он также дешев, относительно нетоксичен и пригоден для переработки.
Крис Крэйни, директор по маркетингу компании, считает, что в конечном итоге аккумуляторы будут иметь большое значение для электромобилей: он сказал:
«У нас есть амбициозные претензии […] Если есть компания, специализирующаяся на электромобилях, которая хочет подняться на уровень Tesla, мы будем хорошей компанией для общения. […] Чтобы быть смелым, мы уверены, что мы являемся основным решением для современной индустрии электромобилей ».
В этом году компания планирует начать производство первых батарей для использования в основном в медицинском оборудовании.
2. Литий-воздушные батареи
Другой подход к увеличению плотности батарей заключается в изменении химического состава таким образом, чтобы в процессе выработки энергии кислород извлекался из внешней атмосферы (и выделял кислород при перезарядке), как в случае литиево-воздушных батарей. Эта технология используется IBM, среди прочего, как возможный святой Грааль технологии аккумуляторов.
Используя атмосферный кислород вместо хранения кислорода в батарее, вы можете резко увеличить плотность хранения, теоретически предлагая увеличение плотности в 40 раз по сравнению с обычными литиевыми элементами, что приводит к появлению электромобилей, которые могут проехать тысячи миль. на платной основе. Существующие прототипы выбивают современные литий-ионные элементы вдвое. Эти плотности близки к теоретическому пределу того, что может быть достигнуто химической батареей.
Эта технология аккумуляторов в некотором роде далека (по оценкам IBM, от 5 до 15 лет), но во многих отношениях она представляет собой святой Грааль химических батарей — наилучшую возможную плотность для данного веса. Перезаряжаемые литиево-воздушные батареи могут конкурировать с бензином по плотности энергии, что неслыханно в обычной технологии батарей. Страница IBM для их исследовательского проекта описывает это так:
В настоящее время электромобили, как правило, могут проехать всего около 100 миль по современной технологии аккумуляторов, называемой литий-ионной (LIB). […] Признавая это, IBM начала проект Battery 500 в 2009 году, чтобы разработать новый тип технологии литиево-воздушной батареи, которая, как ожидается, улучшит плотность энергии в 10 раз, значительно увеличивая количество энергии, которую эти батареи могут генерировать и хранить. Сегодня исследователи IBM успешно продемонстрировали фундаментальную химию процесса зарядки и перезарядки литиево-воздушных батарей.
1. Графеновые ультраконденсаторы
Другой, более спекулятивный подход к улучшению характеристик батареи заключается в том, чтобы полностью отказаться от «батареи». Альтернативой аккумуляторной технологии является то, что известно как конденсаторы: заряженные пластины, разделенные резистором. Электроэнергия может храниться в конденсаторе в виде электростатического поля, а затем разряжаться позже (подумайте о накоплении статического заряда на вашем теле, гладя кошку, а затем разряжайте свое тело в ручку двери).
Обычные конденсаторы имеют серьезные ограничения на количество заряда, которое они могут хранить, а также на то, как медленно они могут разрядить этот заряд. Тем не менее, используя такие материалы, как графен, которые имеют чрезвычайно большую площадь поверхности для своей массы и объема, можно создавать элементы с огромной емкостью и плотностью энергии, сравнимые с обычными батареями.
Эти «ультраконденсаторы» не будут ухудшаться при каждом цикле зарядки и смогут заряжаться в считанные секунды. Существующие прототипы не показывают снижения емкости в течение 10000 циклов зарядки и показывают плотность энергии, сопоставимую с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Будущие улучшения материаловедения могут привести к еще большему увеличению этих показателей.
В ближайшей перспективе некоторые инсайдеры сообщают, что Tesla разрабатывает ультраконденсатор на основе графена, который может заряжаться за считанные секунды и удваивать дальность действия своих электромобилей до 500 миль на зарядку. Элон Маск, со своей стороны, уже упоминал эту идею:
«Если бы я сделал прогноз, я бы подумал, что есть хороший шанс, что это не батареи, а суперконденсаторы».
Все эти технологии, вероятно, должны сыграть свою роль в ближайшей и долгосрочной перспективе, когда мы начнем продвигаться вперед по литий-ионной технологии, которую мы использовали десятилетиями. Переход, вероятно, не будет полностью грациозным или столь быстрым, как нам хотелось бы, но он даст новые приложения и технологии, которые изменят мир на десятилетия вперед.
Какими, по вашему мнению, будут энергетические технологии будущего? Это будут батареи, конденсаторы или что-то еще? Поделитесь своими мыслями в разделе комментариев ниже!
