Мечта об энергии: какими могут быть аккумуляторы будущего. Аккумуляторы будущего


какими могут быть аккумуляторы будущего / Блог компании Mail.Ru Group / Geektimes

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом. Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.

В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы

В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo

Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками

В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы

В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера

Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы

Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы

Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости

Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки

В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу

Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы

Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор

В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой

В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром

В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка

Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие

В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами

В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества

Энергия кожи

Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху

uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot

Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель

В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

geektimes.com

какими могут быть аккумуляторы будущего / Блог компании Mail.Ru Group / Geektimes

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом. Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.

В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы

В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo

Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками

В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы

В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера

Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы

Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы

Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости

Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки

В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу

Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы

Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор

В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой

В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром

В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка

Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие

В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами

В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества

Энергия кожи

Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху

uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot

Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель

В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

geektimes.ru

Ближайшее будущее аккумуляторных батарей / Geektimes

В последние годы все острее встает вопрос усовершенствования мобильных источников энергии — вопрос как глобальный, так и повседневный. Глобальная сторона заключается в том, что человечество, остро нуждаясь в энергии в любой её форме, выбрало в качестве свободноконвертируемой электрическую. Причина – относительно низкие потери при обратном переводе из электрической в любую другую, а так же низкие потери при передаче от точки выработки (электростанция) до стационарной точки потребления (э/розетка). Основным источником электроэнергии на сегодняшний день является сжигание на ТЭС невозобновляемого углеводородного топлива, которого с каждым годом все меньше, а цена всё выше. Основной вред окружающей среде наносят тем не менее не ТЭС, а двигатели внутреннего сгорания автомобилей, в виду компактности не столь эффективные и оснащенные не столь же хорошими системами очистки. Все говорит, что работай автомобили на электротяге, наш мир стал бы намного чище, а жизнь со временем даже дешевле

Но вряд ли многие из нас, не считая борцов за зеленый мир, и даже считая оных, думают об этом каждый день. Гораздо чаще мы вспоминаем недобрым словом какой-нибудь значок на дисплее нашего ноутбука или телефона, увидев что пользоваться им осталось минут 20. И вопрошаем:”Ну когда же они сделают нормальную батарейку, а?”. Так или иначе, еще лет 15 и даже 10 назад этот вопрос не стоял столь остро. Но лучшее враг хорошего, и с повышением мобильности городского жителя, т.е. переходу от стационарного компьютера к ноутбуку, от простого мобильного телефона к смартфону запросы к мобильным источникам энергии резко возросли С миниатюризацией бытовой электроники её разработчики должны выдерживать общее направление уменьшая и источник питания, жертвуя, таким образом, сроком автономной работыИз этих двух проблем, двух актуальных запросов рождаются два требования, которые идут друг рядом с другом, но различать которые многим и даже больше, почти всем массовым источникам информации не удаётся

  • Гибридным и элеткромобилям нужны лёгкие аккумуляторы
  • Портативной электронике — компактные
К сожалению, высокие технологии — такая вещь, где прорыв не всегда осуществляется по заказу. И так: ”низы не могут, верхи не хотят”. ждать ли революцию в аккумуляторных технологиях? На этот вопрос и постарается пролить свет эта статья главным побуждением же является желание развеять огромное недоразумение, которое создано с одной стороны журналистами-сенсационниками, с другой, возможно, учеными, чей крест — всегда преувеличивать свои и без того немалые достижения. Вот лишь несколько примеров новостей, одну из которых я услышал даже в новостях одного из центральных каналов.New Li-Ion Batteries Will Run Ten Times Longer and Charge Ten Times QuickerNow your laptop/mobile battery could last ten times longer«Найден заменитель редких металлов для производства батареек… Ее можно будет использовать в смартфонах и других приборах, срок автономного использования которых увеличится»«Amprius: More Energy in Batteries, Nanowire anodes could let lithium-ion batteries run twice as long»Nanowire battery lasts 10 times longer все они большинству из вас знакомы посвящены многообещающим батарейкам, которые будут в разы более ёмкими.

Состояние рынка

Если 20 век можно назвать веком электричества, то Energy density sketchпоследние 20 лет — это время мобильной электроники и именно развитию чиповой технологии батареи обязаны своими последними достижениями. Рост рынка портативной электроники на протяжении 20 лет служил источником роста рынка перезаряжаемых батарей. В 1983 году Motorola выпустила первый коммерческий мобильный телефон и с начала 90-х он уже стал повседневным явлением, также на начало 90х приходится рождение энергоэкономного ноутбука на Intel386 SL. Справедливо так же и обратное: новые химические источники тока открыли новую эру мобильной электроники. Так бурное развитие электроники совпадает коммерческим внедрением новых типов аккумуляторов: 1989 – NiMH, 1990 – Li-Ion.В настоящий момент рост рынка замедляется, и на смену этому двигателю приходит новый – перспективнейший рынок гибридных автомобилей. На сегодняшний день, безусловно, самыми передовыми являются Литий ионные источники тока (Li-Ion).Потенциал данной технологии еще не раскрыт полностью и все кратко- и среднесрочные перспективы связанны именно с ними. Обратите внимание(рис.справа), что разброс показателей для различных конструкций Li-ion значительно шире, чем для предшествующих батарей, дело в том, что Li-ion – это принципиально новая схема работы батареи, представители которой могут весьма различааться компоновкой На сегодняшний день электронный рынок, по видимому, не имеет серьёзных перспектив роста, поскольку своим пределом имеет все платежеспособное население. А с появлением смартфонов на каждого представителя приходится по 1-2 мультимедийного устройства или аккумулятора. Рисунок слева показывает, что к 2010 году число абонентов сот. сетей уже достигло 5,5 млрд
портативная электроника (~10-12 млрд.$/г) рынок электромобилей (потенциально ~60-100 млрд $/г.)
На настоящий момент мобильная электроника нуждается в более компактных источниках тока, и для них критической характеристикой является удельная объемная ёмкость [Ah/l] и энергия [Wh/l] Для конкурентоспособности гибридных и электромобилей с классическими необходимо значительное облегчение батарей: увеличение их емкости [Ah/g], мощности[W/g], энергии на грамм аккумулятора [Wh/g]. Так же существенное увеличение долговечности и надежности, при снижении стоимости [Wh/$]

Развитие рынка перезаряжаемых батарейПрезидент Курехи «Литий-ионная технология, будет доминировать на рынке в этом столетии.»Такао Ивасаки — президент Kureha Corp. (Матреиалы и компоненты для Li-ion батарей)

*по некоторым оценкам к 2020 году рынок может вырасти до 5-8 трил. йен (около 65-100 млрд.$) В данный прогноз закладывается изобретение и внедрение новых типов литий-ионных батарей, поэтому с финансовой стороны все разработки в этой области пользуются щедрой поддержкой. В громких заявлениях в последнее время не было недостатка, мы же попробуем разобраться чего можно ожидать в ближайшие годы

Почитать 1.Очень детальное исследование рынка: LiB materials industry. Takato Watabe, Masashi Mori 26 January 2011. Deutsche Bank Group.

Конструкция аккумулятора

Итак, ближайшие десятилетие — это время литий-ионных батарей, поэтому мы не уделим должного внимания батареям будущего LiS и Li-air. Поскольку сама конструкция батареи не претерпевает революционных изменений, мы можем оценить перспективы новых разработок, оттолкнувшись от уже имеющихся промышленных образцов.

Для прогноза характеристик на грамм и литр батареи, вспомним, что она состоит из двух электродов, и разделителя, а также токоснимателей, стального корпуса. Чтобы учитывать все компоненты, воспользуемся моделью цилиндрической батареи типа 18650 и 14430. Именно эти цилиндрические элементы являются начинкой аккумуляторов наших ноутбуков.

Методика оценки. Определение конструктивных параметров батареи

Рассмотрим 2 типа стандартных цилиндрических батарей: 14430 и 18650. Принципиально они состоят из рабочей части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клемм, предохранителей. Для установления характеристик батареи в идеале нужно знать геометрию и массу всех входящих в неё компонентов, но поскольку этих данных в открытых источниках найти не удалось, то будем удовлетворять любопытство другими средствами: Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель: батарея состоит из 3-х частей: Стальной вертикальной стенки (0.3-0.5 мм) цилиндрическая рабочая часть, а так же нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый цвет) могут быть приняты цилиндрами, фиксированной высоты, радиусом батареи и неизвестной плотности.

Принципиально батарея состоит из 3-х частей: рабочей(активной) части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клем, предохранителей. Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель:
Активная часть — цилиндр (оранжевый), и корпус (can) — cтальная вертикальная стенка (wall) — трубка толщиной b=0.3-0.5 мм,. Нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый (add)) могут быть приняты цилиндрами(вообще одним цилиндром), и радиусом, равным внутреннему радиусу трубы стенок батареи, некой фиксированной высоты и неизвестной плотности.
Для определения с характеристиками сравним батарейки двух типов, но с одинаковой начинкой. Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah] NoName14430 NoName18650
14 43 17 0.65
18 65 46 2.2
А теперь выжмем из этого максимум информации: очевидно чтоV=πr2HMact+Mcan=M и Vact+Vcan=V в свою очередь согласно моделиMcan=Mwall+Madd и Vcan=Vwall+Vadd характеристики стенки вычисляются напрямуюVwall=п(r-b)r HMwall=ρsteel VwallVadd=п(r-b)2 xVadd=п(r-b)2 y, где х, у — просто параметры, обозначающие соответственно высоту и произведение высоты и условной плотности фиолетовой цилиндрической части. Теперь воспользуемся тем, что емкость при одной и той же начинке пропорциональна её количеству пользуясь приведенными выше формулами и данным, легко составить и решить следующую систему уравнений, поскольку матрицы подчеркнутые зеленым уже известны.
Вычисление объема и массы электродов
Емкость электродов равна между собой и равна общей ёмкости батареи. пользуясь этим и зная примерно удельные емкости электродов в обычных батарейках, можно найти объем, отведенный под электроды в любой батарейке Вычисление удельных ёмкостей электродов. Электрод состоит из активного вещества смешанного с проводящим веществом и держателем, высушенные и имеющие некоторую пористость. Эта смесь крепится токоснимателю — металической фольге(алюминиевой для катода и медной для анода). Объемные пропорции коллекторов к обычным электродам восстановлены по данным []. Далее легко установить объем занятый электролитом Уточнение параметров модели производится путем уменьшения ошибки по массе этих двух батареек и еще одной, современной Sony NexelIon 14430 химия и характеристики которой известны Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah] NexelIon14430
14 43 20 0.91

Прогноз

Теперь, используя модель и зная массовые доли (wt%), плотность паковки, гравиметрическую ёмкость активного вещества, vol% объемную долю и плотность токоснимателя, легко восстановить полную консистенцию батареи, объёмные и гравиметрические ёмкости электродов. И сделать оценку характеристик будущего изделия. Иными словами мы можем оценить недостающие параметры существующих батарей и представить какими характеристиками будут обладать их аналоги с новыми электродами. Дабы не утомлять излишней скрупулёзностью приведем результатыКак видно из диаграммы прогноза ёмкости батареи с анодами LiNi1-x-yCoxMnyO2 (для ноутбуков и телефонов) видно, что в ближайшие 10-12 лет аккумуляторы могут стать ~30-50% компактней, главным образом за счет увеличения ёмкости анодов. Вопрос о большем росте упирается в изобретение более ёмких катодов, которых не видно. Пока единственная отрада — это покупать дополнительные аккумуляторы для ноутбуков, которые просто состоят из большего числа тех же цилиндрических элементов. В отношении смартфонов я, чесно говоря недоумеваю, почему производители телефонов игнорируют производство аккумуляторов увеличенной ёмкости, таких, какие они же производят для ноутбуков. В принципе я пользовался двумя стронними аккумуляторами Mugen Power и Seido и остался очень доволен обоими.

Для автопрома грядет действительно новый век: Новые дешевые катоды должны снизить общую стоимость такой батареи ~50%, по сравнению с аналогичными для портативных устройств. Переход к наноструктурному инженерингу позволяет добиться значительного увеличения долговечности при работе на мощности в 10 или даже 100 раз превышающей современную. Отметим, что требованием к перспективным аккумуляторам для автомобилей является 10-15 кратное увеличение срока их службы, и оно все еще остается невыполненным (~5000 циклов) Наврядли также какой-нибудь неизвестной фирме удастся вмешаться в борьбу таких гигантов как Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, 123systems итд, кроме как в виде StartUp'a, поскольку главным вопросом во внедрении новых батарей является их безопасность, а другими словами, репутация фирмы.

И наконец, как общий и оптимистичный вывод: Лучше будет, но не сразу и не так уж) и в чем не врут, так это в том, что можно будет зайти в условный кофехауз и зарядить свои батарейки за считанные минуты!

Прекрасно осознаю, что столь долгий пост не всем интересен, поэтому значительную его часть можно легко пропустить, перейдя к сразу к результатам. Ниже будет приведен достаточно развернутый обзор посвященный батареям вообще и детально Литий ионным технологиям, который должен разьяснить откуда «растут ноги» у сенсационых новостей, а так же расскахать о последних достижениях в этой сфере. Именно там будут приведены характеристики новых материалов, необходимых для прогноза

Батареи. Введение

Простейшая ячейкаЛитий-Ионный аккумулятор

Химический источник тока. Батарея. Введение

До сих пор мы говрили о батареях исключительно с потребительской стороны, однако все дальнейшее рассмотрение уходит в детали работы устройств. В начале обзора, называя батареи – мобильными источниками энергии, автор сознательно избегал конкретизации: батареи — это мобильные источники тока, а конкретнее Химические Источники Тока (далее ХИТ). Их назначение — создавать электрический ток через подключенную внешнюю сеть. Другими словами, пропускать через неё поток электронов (Ток) с определенной ”силой” (напряжением)

Химия и Электроток

Следует пояснить, что хотя химия в первую очередь ассоциируется с разнообразными буквами и названиями, она, как наука, занимается не чем иным, как изучением электрических взаимодействий в веществе. Как музыкант строит свою композицию из нот, так химик оперирует своими простыми элементами – химическими. Химический элемент это – устойчивая (а значит постоянно встречающаяся в том же самом виде) структура, состоящая из ядра (очень компактного сочетания тяжелых частиц — нейтронов и положительно заряженных протонов), и соответствующей заряду этого ядра оболочки легких отрицательно заряженных электронов. Каждый элемент отличается от предыдущего на 1 протон в ядре и соответственно, в нейтральном состоянии на один электрон в оболочке. Электроны расположены вокруг ядра на замысловатых «орбитах» — орбиталях. Эти орбитали обусловлены Кулоновским взаимодействием как с ядром, так и с соседствующими электронами.Периодическая таблицаНетрудно видеть, что в периодической таблице структура элементов повторяется в столбцах, меняясь лишь в масштабе, а следом повторяются и химические свойства элементов. Внешний слой электронов и участвует во взаимодействии с другими атомами. Сила притяжения пропорциональна заряду ядра, и обратно пропорциональна квадрату радиуса. Ряды в т. Менделеева показывают (с лева на право) заполнение внешней оболочки. При заполнении одной оболочки радиус орбиты её электронов примерно одинаков, поэтому слева на право при увеличении заряда ядра притяжение увеличивается и электроны притягиваются ближе к ядру. В то время как при начале заполнения новой, все внутренние оболочки отталкивают электроны новой, уменьшая тем самым силу привязки электрона к ядру, а следовательно радиус при переходе к новому ряду значительно увеличивается.электроотрицательность элементов Важным следствием наличия таких сложных электрических взаимодействий является то, что электроны, избавляясь от лишних или присоединяя дополнительные (примерно как избавляются или принимают к себе игроков в карты), стремятся составить целиком заполненную оболочку, став максимально похожими на элементы последнего столбца – самодостаточных инертных газов. Эта закономерность получила название – правило октета (8 электронов на внешней орбите). Так или иначе, главным следствием вышенаписанного является тот факт, что различные элементы обладают различной способностью притягивать электроны. Это отражается в различных численных показателях (электроотрицательность, энергия ионизации, электронная притягательность), но главное, то что более ”сильный” элемент способен отобрать электрон у более слабого, а этот трансфер и есть электрический ток. В современной классификации ХИТ подразделяются на первичные (батарейки) и вторичные (аккумуляторы). В данном изложении автор хотел бы подчеркнуть, что данные названия проистекают не из факта презаряжаемости полследних, а из того, что собранные в батарейку, первичные источники тока служат источником энергии сами по себе, а вторичные, лишь передают энергию, полученную от зарядного устройства

Эффект Гальвани и Франкенштейн

Гальвани и ЖабаДостоверно впервые эффект лёгший в основу ХИТ, был открыт Луиджи Гальвани, итальянским врачём. В серии его экспериментов с препарированной лягушкой среди прочего он при помощи лезвий двух разных металлов смог наблюдать сокращение мышцы и регистрировать электроток. Но вывод Гальвани ”Мышцы производят электричество” был неверен.Батарея Вольты Первым правильно истолковавшим явление и заключившим, что электродвижущая сила рождается из контакта двух разных металлов, был итальянский физик А. Вольта. Применив открытие на практике, Вольта создал первую химическую ячейку, которая получила имя Гальвани. На рисунке видна стопка чередующихся дисков Медь/Бумага с h3SO4/ Цинк. Другими словапми это последовательно соединенные электрохимические ячейки т.е. батарея э/х ячеек, которую мы с вами привыкли называть просто: Батарейка.

Для XIX века результаты первых опытов Гальвани были столь удивительны, что считалось: электроток способен поднимать мертвых.Гальвани и Жаба На изображении того времени (справа) легко можно узнать Вольту в компании покойника и чертей. Собственно, доктор Франкенштейн — это лицо времени: название романа, по мотивам которого снята серия фильмов «Франкенштейн, или Современный Прометей» говорит само за себя. Это вовсе не фильм ужасов, это научнопопулярная фантастика, показывающая, как будоражило воображение людей того времени явление Электричества (посмотри).

Рассмотрим самый первый источник тока, изобретенный Вольтой и носящий имя Гальвани.

Источником тока в любых батареях может служить исключительно окислительно-восстановительная реакция. Собственно это две реакции: атом окисляется, когда он теряет электрон. Получение же электрона назвыается восстановлением. То есть окислительно-восстановительная реакция протекает в двух точках: там откуда и там куда текут электроны.

Два метала (электрода) опущены в водный раствор их солей серной кислоты. Метал одного электрода окисляется, а другого восстанавливается. Причина протекания реакции в том, что элементы одного электрода сильнее притягива-ет электроны чем элементы другого. В паре металических электродов Zn – Cu ион (не нейтральное соединение) меди обладает большей способностью притягивать электроны, поэтому, когда существует возможность электрон переходит к более сильному хозяину, а ион цинка выхватывается раствором кислоты в электролит (некая ионопроводящая субстанция). Трансфер электронов осуществляется по проводнику через внешнюю электросеть. Праллельно с перемещением отрицательного заряда в обратном направлении через электролит перемещаются положительно заряженные ионы (анионы)(см. видео) Во всех ХИТ, предшествующих Литий-ионным, электролит является активным участни-ком протекающих реакцийcм принцип работы свинцового аккуулятора

Ошибка Гальвани
Электролит тоже является проводником тока, только второго рода, перемещение заряда в котором осуществляют ионы. Человеческое тело является как раз таким проводником, и мышцы сокращаются из-за перемещения анионов и катионов. Так Л. Гальвани случайно соединил два электрода через природный электролит – препарированную лягушку.
Характеристики ХИТ
Ёмкость – количество электронов (эл.заряд), которое может быть пропущено через подключенное устройство, до полного разряда батареи [Q] или [Ah=Q/3600] Емкость всей батарейки образуют ёмкости катода и анода: сколько электронов способен анод отдать и сколько электронов катод способен принять. Естественно, ограничивающей, будет меньшая из двух ёмкостей.

Напряжение – разность потенциалов. характеристика энергетическая, показывающая какую энергию освобождает единичный заряд при переходе от анода к катоду [V=J/Q].

Энергия – работа, которую может совершить на данной ХИТ до его полного разряда.[J] или [Wh=J/3600]Мощность – скорость отдачи энергии или работа в единицу времени [W=J/sec]Долговечность или кулоновская эффективность — какой процент емкости безвозвратно теряется при цикле заряд-разряд.

Все характеристики предсказываются теоретически, однако из-за множества сложноучитываемых факторов большинство характеристик уточняют экспериментально. Так все они могут быть предсказаны для идеального случая, основываясь на хим составе, но макроструктура имеет огромное влияние как на ёмкость так и на мощность и долговечность.

Так долговечность и ёмкость в огромной степени зависят как от скорости зарядки/разрядки, так и от макроструктуры электрода. Поэтому батарея характеризуется не одним параметром, а целым набором для различных режимов. Например, напряжение батареи (энергия трансфера единичного заряда**) может быть оценена в первом приближении (на этапе оценки перспектив материалов) из значений энергий ионизации атомов активных веществ при окислении и восстановлении. Но реальное значение – это разница хим. потенциалов, для измерения которых, а так же для снятия кривых заряда/разряда собирается тестовая ячейка с испытуемым электродом и эталонным.

Для электролитов на основе водных растворов применяют стандартный водородный электрод. Для Литий-ионных – металический литий.

*Энергия ионизации – это энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы разрушить связь между ним и атомом. То есть, взятая с обратным знаком, представляет собой энергию связи, а система всегда стремится минимизировать энергию связей ** Энергия единичного трансфера — энергия трансфера одного элеметарного заряда 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] или 1eV(электронвольт)

Как уже отмечалось, в литий-ионных батареях электролит не принимает непосредственного участия в реакции. Где же происходят две главных реакции: окисление и восстановление и как выравнивается баланс заряда? Непосредственно эти реакции протекают между литием в аноде и атомом метала в структуре катода. Как уже отмечалось выше, появление литий ионных батарей – это не просто открытие новых соединений для электродов, это открытие нового принципа функционирования ХИТ:Слабо связанный с анодом электрон вырывается по внешнему проводнику к катоду. В катоде электрон сваливатеся на орбиту метала, компенсируя ему практически отобранный у него кислородом 4-й электрон. Теперь электрон метала окончательно присоединяеся к кислороду, и получающимся электрическим полем ион лития втягивается в промежуток между слоями кислорода. Таким образом огромная энергия литий ионных батареек достигается тем, что имеет дело не с восстановлением внешних 1,2 электронов, а с восстановлением более ”глубоких”. Например, для кобольта 4-й электрон. Ионы лития удерживаются в катоде за счет слабого, порядка 10kJ/mol, взаимодействия (Ван дер Ваальса) с окружащими их электронными облаками атомов кислорода (красного цвета)

Li – третий элемент в таблице Менделеева, обладает низким атомным весом, и малыми размерами. Из-за того что литий начинает да к тому же лишь второй ряд, размер нейтрального атома довольно велик, тогда как размер иона очень мал, меньший, чем размеры атомов гелия и водорода, что делает его практически незаменимым в схеме ЛИБ. другое следствие вышесказанного: внешний электрон (2s1) имеет мизерную связь с ядром и легко может быть потерян (это выражается в том, что Литий имеет самый низкий потенциал относительно водородного электрода P=-3.04V).

Электролит

В отличие от традиционных батарей электролит вместе с сепаратором не принимает прямого участия в реакции а лишь обеспечивает транспорт ионов лития и не допускает транспорт электронов. Требования к электролиту: — хорошая ионная проводимость — низкая электронная — низкая стоимость — малый вес — нетоксичность — СПОСОБНОСТЬ РАБОТАТЬ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ НАПРЯЖЕНИЙ и ТЕМПЕРАТУР — препятствовать структурным изменениям электродов (препятствовать снижению ёмкости) В данном обзоре я позволю обойти тему электролитов, технически сложную, но не столь важную для нашей темы. В основном в качестве электролита используется раствор LiFP6 Хотя считается, что электролит с сепаратором – абсолютный изолятор, в реальности это не так: в Литий ионных элементах существует явление саморазряда. т.е. ион лития с электронами достигают катода через электролит. Поэтому необходимо держать аккумулятор частично заряженным в случае длительного хранения. При больших перерывах в эксплуатации имеет также место явление старения, когда из равномерно насыщенного ионами лития выделяются отдельные группы, нарушая равномерность концентрации и снижая тем самым общую ёмкость. Поэтому при покупке аккумулятора, необходимо проверять дату выпуска Аноды – электроды обладающие слабой связью, как с ”гостевым” ионом лития, так и с соответствующим электроном. В настоящее время идет бум развития разнообразных решений для анодов Литий ионных батарей.Требования к анодам
  • Высокая электронная и ионная проводимость (Быстрый процесс внедрения /извлечения лития)
  • Низкое напряжение с тестовым электродом (Li)
  • Большая удельная ёмкость
  • Высокая устойчивость структуры анода при внедрени и извлечении лития, что отвечает за кулоновскую
Методы улучшения:
  • Изменить макроструктуру структуру вещества анода
  • Уменьшить пористость вещества
  • Выбрать новый материал.
  • Применять комбинированные материалы
  • Улучшать свойства пограничной с электролитом фазы.

В общем аноды для ЛИБ можно разбить на 3 группы по способу размещения лития в своей структуре:

  • размещение в ”пазах” структуры анода, например, между слоями графена в графитах, в спинелях, а также слоистых нитридах 3d металов.плюсы: высокая структурная стабильность, долговечность.минусы: низкая ёмкость
  • растворение в кристалле другого вещества, образование сплавов – сплавы с кремнием, оловом, германием.плюсы: наибольшая ёмкостьминусы: наибольшие структурные изменения: изменение объема в ~3-4 раза
  • реакции обена – взаимодействие с оксидами метала, заключающееся в замещении оксида основного метала, оксидом лития и обратноплюсы: большая ёмкостьминусы: большие структурные изменения: изменение объема в ~2 раза

Аноды — хосты. Графит

Почти все запомнили из средней школы, что углерод существует в твердом виде в двух основных структурах – графите и алмазе. Разница в свойствах этих двух материалов поразительна: один прозрачен — другой нет. Один изолятор – другой проводник, один режет стекло другой стирается о бумагу. Причина в различном характере межатомных взаимодействий. Алмаз – это кристаллическая структура, где межатомные связи образованы вследствие sp3 гибридизации, то есть все связи одинаковы — все три 4 электрона образуют σ-связи с другим атомом. Графит образован sp2 гибридизацией, которая диктует слоистую структуру, и слабую связь между слоями. Наличие ”плавающей” ковалентной π-связи делает углерод графит превосходным проводником Графит – первый и на сегодняшний день основной анодный материал, имеющий множество плюсовВысокая электронная проводимость Высокая ионная проводимость Малые объёмные деформации при внедрении атомов лития Низкая стоимость Первым графит, как материал для анода был предложен еще в 1982 году S.Basu [1] и внедрён, в литий ионную ячеейку 1985 A. Yoshino [2]Сначала в электроде графит использовался в природном виде и емкость его достигала лишь 200 mAh/g. Основным ресурсом повышения ёмкости было улучшения качества графита (улучшение структуры и очищение от примесей). Дело в том, что свойства графита значительно разнятся в зависимости от его макроструктуры, а наличие множества анизотропных зерен в структуре, ориентированных розно, значительно ухудшают диффузионные свойства вещества. Инженеры пытались повысить степень графитизации, но её повышение вело к разложению электролита. Первым решением было использовать измельченный низко графитизированный уголь смешанный с электролитом, что повысило ёмкость анода до 280mAh/g (технология все еще широко используется) Преодолеть это смогли в 1998 году введением специальных добавок в электролит, которые создают защитную прослойку на первом цикле (далее SEI solid electrolyte interface) предотвращающую дальнейшее разложение электролита [3] и позволяющую использовать искусственный графит 320 mAh/g. К настоящему времени емкость графитового анода достигла 360 mAh/g [4], а ёмкость всего электрода 345mAh/g и 476 Ah/l [8]

Реакция: Li1-xC6+Lix ↔ LiC6

Структура графита способна принять максимум 1 атом Li на 6 С, следовательно максимально достижимая емкость – 372 mAh/g(это не столько теоретическая, сколько общеупотребимая цифра поскольку здесь редчайший случай, когда что-то реальное превосходит теоретическое, ведь на практике ионы лития могут размещаться не только внутри ячеек, но и на изломах графитовых зерен) С 1991г. графитовый электрод претерпел множество изменений, и по некоторым характеристикам, похоже, как самостоятельный материал, достиг своего потолка. Основным полем для совершенствования является повышение мощности, т.е. Скорости разряда/заряда батареи. Задача увеличения мощности является одновременно задачей увеличения долговечности, так как быстрая разрядка/зарядка анода приводит к разрушению стуктуры графита, ”протягиваемыми” через него ионами лития. Помимо стандартных техник повышения мощности, сводящихся обычно к увеличению соотношения поверхность/объем, необходимо отметить исследование диффузионных свойств монокристала графита по различным направлениям кристаллической решетки [5] показывающая, что скорость диффузии лития может различаться на 10 порядков. назад к выводам

К.С. Новоселов и А.К. Гейм — лауреаты нобелевской премии по физике 2010г. Первоткрыватели самостоятельного использования графена [1] Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125 [2] Asahi Chemical Ind. Japan Patent 1989293 [3] Ube Industries Ltd. US Patent 6,033,809 [4] Masaki Yoshio, Akiya Kozawa, and Ralph J. Brodd. Lithium-Ion Batteries Science and Technologies Springer 2009. [5] Lithium Diffusion in Graphitic Carbon Kristin Persson at.al. Phis. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010 [6] Structural and electronic properties of lithium intercalated graphite LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Review 2003. [7] Active material for negative electrode used in lithium-ion battery and method of manufacturing same. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923,908 2003 [8] Effect of electrode density on cycle performance and irreversible capacity loss for natural graphite anode in lithium ion batteries. Joongpyo Shim and Kathryn A. StriebelНа сегодняшний день одними из самых многообещающих являются аноды из элементов 14-й группы периодической таблицы. Еще 30 лет назад способность олова (Sn) образовывать сплавы (растворы внедрения) с литием была хорошо изучена [1]. Лишь в 1995 году Fuji анонсировала анодный материал основанный на олове (см, например [2]) Логичным было ожидать, что более легкие элементы той же группы будут обладать теми же свойствами, и действительно Кремний (Si) и Германий (Ge) показывают идентичный характер принятия литияLi22Sn5, Li22Ge5, Li15Si4

Lix+Sn(Si,Ge) <-->LixSn(Si,Ge) (x<=4.4) Основной и общей сложностью в применении этой группы материалов является огромные, от 357% до 400%, объёмные деформации при насыщении литием (при зарядке), приводящие к большим потерям в ёмкости в следствии утраты частью материала анода контакта с токоснимателем.

Пожалуй самым проработанным элементом даной группы является олово: являясь наиболее тяжелым дает более тяжелые решения: максимальная теоретическая ёмкость такого анода 960 mAh/g, но компактные (7000 Ah/l -1960Ah/l*) тем не менее превосходящие традиционные углеродные аноды 3 и 8 (2.7*) раз соответственно. Наиболее перспективными считаются аноды на основе Кремния, которые теоретически (4200 mAh/g ~3590mAh/g[5]) более чем в 10 раз легче и в 11 (3.14*) раз компактней (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) графитовых. Si не обладает достаточной электронной и ионой проводимостью, что заставляет искать дополнительные средства повышения мощности анодаGe, германий не упоминается так часто, как Sn и Si, но являясь промежуточным, обладает большой (1600 mAh/g ~2200* Ah/l) ёмкостью и в 400 раз более высокой, чем у Si ионной проводимостью, что может перевесить его высокую стоимость при создании высокомощной электротехники [4]

Наряду с большими объемными деформациями существует и другая проблема: потеря ёмкости на первом цикле из-за необратимой реакции лития с оксидами

SnOx+x2Li+-->xLi2O+SnxLi2O+Sn+yLi+<-->xLi2O+LiySn

которых тем больше, чем больше контакт электрода с воздухом(чем больше площадь поверхности, т.е. чем мельче структура) Разработано множество схем, позволяющих в той или иной степени задействовать большой потенциал этих соединений, сглаживая недостатки. Впрочем, как и достоинства: Все эти материалы на сегодняшний день применяются в комбинированных с графитом анодах, поднимая их характеристики на 20-30%

* помечены значения, скорректированные автором, поскольку распространенные цифры не учитывают значительного увеличения объема и оперируют с значением плотности активного вещества(до насыщения литием), а значит совершенно не отражающих реальное положение дел [1] M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966 [2]Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US Patent Application 20080003502. [3] Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read, and D. Foster Army Research Laboratory 2006. [4] High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires [5] Electrodes for Li-Ion Batteries—A New Way to Look at an Old Problem Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

Существующие разработки

Все существующие решения проблемы большх деформаций анода исходят из единого соображения: при расширении причиной механических напряжений является монолитность системы: разбить монолитный электрод на множество возможно более мелких структур, предоставив им расширяться независимо друг от друга. Первый, самый очевидный, метод – это простое измельчение вещества с использованием какого-нибудь держателя, предотвращающего объединение частиц в более крупные, а также насыщение получившейся смеси электроно-проводными агентами. Схожее решение можно было проследить в эволюции графитовых электродов. Данный метод позволил добиться некоторого прогресса в увеличении ёмкости анодов, но тем не менее до полного раскрытия потенциала рассматриваемых материалов увеличив ёмкость (как объёмную, так и массовую) анода на ~10-30% (400-550 mAh/g) при невысокой мощности Относительно ранним способом внедрения наноразмерных частиц олова (электролизом) на поверхность графитовых сфер, Гениальный и простой взляд на проблему позволил создать эффективную батарею, используя обычный промышленно полученый порошок 1668 Ah/l[14] Следующим шагом стал переход от микрочастиц к наночастицам: ультрасовременные батареи и их прототипы рассматривают и формируют структур вещества в масштабе нанометров, что позволило увеличить ёмкость до 500-600 mAh/g (~600 Ah/l*) при приемлемой долговечности [6]

Одним из много обещающих видов наноструктур в электродах явлются т.н. конфигураця оболочка-ядро, где ядро – шар малого диаметра из рабочего вещества, а оболочка служит ”мембраной” предотвращающей стращивание частиц и обеспечивающей электронную связь с окружением. Впечатляющие результаты показало исползование меди, как оболочки для наночастиц олова [8], показав высокую ёмкость (800 mAh/g – 540 mAh/g*) на протяжении многих циклов, а так же при высоких токах зарядки/разрядки. В сравнении с углеродной облочкой (600 mAh/g)[7] аналогично для Si-C [9] Поскольку Наношары целиком состоят из активного вещества, то её объемную ёмкость следует признать одной из самых высоких (1740 Ah/l (*))

Как отмечалось, для уменьшения пагубных воздействий резкого расширения рабочего вещества требуется предоставление пространства для расширения. В последний год исследователи добились впечатляющего прогресса по созданию работоспособных наноструктур: нано стержней Jaephil Cho [13] добился 2800 mAh/g низкой мощности на 100 циклов и 2600 → 2400 при более высокой мощности используя пористую силиконовыю структуру а также устойчивые Si нановолокна, покрытые 40нм плёнкой графита, демонстрирующие 3400 → 2750 mAh/g (акт. в-ва) через 200 циклов. Yan Yao и соавторы [12] предлагают исползовать Si в виде полых сфер, добиваясь поразительной долговечности: начальная ёмкость 2725 mah/g (и всего 336 Ah/l(*)) при падении ёмкости через 700 циклов менее 50%

В сеньтябре 2011 г. ученые из Berkley Lab [10] заявили о создании устойчивого электроно-проводящего геля, который может совершить революцию в использовании кремнеевых материалов. Значение этого изобретения сложно переоценить: новый гель может служить одновремено держателем и проводником, предотвращая сращивание наночастиц и потерю контакта. Позволяет использовать в качестве активного материала дешевые промышленные порошки и, по завлениям создателей, сопоставим по цене с традиционными держателями. Электрод, изготовленный из промышленных материалов (нано порошок Si) дает устойчивые 1360 mAh/g и очень высокие 2100 Ah/l (*)назад к выводам

*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение) [1] M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966 [2]Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US Patent Application 20080003502. [3] Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read, and D. Foster Army Research Laboratory 2006. [4] High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires [5] Ball milling Graphite/Tin composite anode materials in liquide medium. Ke Wang 2007. [6]Electroless-plated tin compounds on carbonaceous mixture as anode for lithium-ion battery Journal of Power Sources 2009. [7] the Impact of Carbone-Shell on Sn-C composite anode for Lithium-ion Batteries. Kiano Ren et al. Ionics 2010. [8] Novel Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. Batteries, prepared by redox-transmetallation react. Advanced Materials. 2010 [9] Core double-shell [email protected]@C nanocomposites as anode materials for Li-ion batteries Liwei Su et al. ChemCom 2010. [10] Polymers with Tailored Electronic Structure for High Capacity Lithium Battery Electrodes Gao Liu et al. Adv. Mater. 2011, 23, 4679–4683 [12]Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life. Yan Yao et al. Nano Letters 2011. [13] Porous Si anode materials for lithium rechargeable batteries, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014 [14] Electrodes for Li-Ion Batteries—A New Way to Look at an Old Problem Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒. [15] ACCUMULATEURS FIXES, US Patent 8062556 2006

Приложение

Частные случаи структур электродов:

Оценка реальной ёмкости наночастиц олова с медным покрытием [email protected] Из статьи известно объемное соотношение частиц 1 к 3м0.52 — это коэффициент паковки порошка. Соответственно остальной объем за держателем 0.48

Наносферы. Коэффициент паковки. низкая объемная ёмкость приведенная для наносфер обусловлена тем, что сферы внутри полые, а следовательно коэффициент паковки активного материала очень низок путь даже он будет 0.1, для сравнения для простого порошка — 0.5...07

К группе перспективных без сомнения так же относятся Оксиды металлов, такие как Fe2O3. Обладая высокой теоретической ёмкостю, эти материалы так же требуют решений по увеличанию дискретности активного вещества электрода. В данном контексте здесь получит должное внимание такая важная наноструктура, как нановолокно.Оксиды показывает третий способ включать и исключать литий в структуру электрода. Если в графите литий находится преимущественно между слоями графена, в растворах с кремнием, он внедряется в его кристаллическую решетку, то здесь скорее происходит ”кислородообмен” между ”основным” металом электрода и гостем – Литием. В электроде формируется массив оксида лития, а основной метал страстается в наночастицы внутри матрицы(см., например, на рисунке реакцию с оксидом молибдена MoO3+6Li++6e-<-->3Li2O+Mo) Такой характер взамиодействия подразумевает необходимость легкого перемещения ионов металлов в структуре электрода, т.е. высокую дифузию, а это значит переход к мелкодисперсным частицам и наноструктурам Говоря о различной морфологии анода, способах обеспечения электронной связи помимо традиционного (активный порошок, графитовый порошок + держатель), можно выделить так же другие формы графита, как проводящего агента: Распространенным подходом является комбинация графена и основного в-ва, когда наночастицы могут быть расположены непосредственно на ”листе” графена, а он в, свою очередь будет служить проводником и буфером, при расширении рабочего вещества. Данная структура была предложена для Co3O4[1] 778 mAh/g и достаточно долговечная Аналогично 1100 mAh/g для Fe2O3[2] но в виду очень низкой плотности графена сложно даже оценить на сколько применимыми являются подобные решения. Другой способ — использование графитовых нанотрубок A.C. Dillon et al. экспериментируя с MoO3 показывают высокую ёмкость 800 mAh/g (600mAh/g* 1430 Ah/l*)c 5 wt% держателя[3] потерей ёмкости через 50 циклов будучи покрыты оксидом алюминия а так же с Fe3O4, без использованя держателя устойчивые 1000 mAh/g (770-1000 Ah/l*) Рис. справа: SEM снимок нановолокон анода / Fe2O3 c графитовыми тончайними трубками 5 wt %(белые) [3]MxOy+2yLi++2ye-<-->yLi2O+xMназад к выводам

Несколько слов о нановолокнах

В последнее время нановолокна являются одной из самых горячих тем для публикаций материаловедческих изданий, в частности посвященных перспективным батареям, поскольку обеспечивают большую активную поверхность при хорошей связи между частицами. Изначально нановолокна использовались как разновидность наночастиц активного материала, которые в однородной смеси с держателем и проводящими агентами и образуют электрод.Вопрос о плотности паковки нановолокон весьма сложен, поскольку зависит от множества факторов. И, видимо, сознательно практически не освещен (конкретно применительно к электродам). Уже это делает затруднительным анализ реальных показателей всего анода. Для составления оценочного мнения автор рискнул воспользоваться работой R. E. Muck[4], посвященной анализу плотности сена в бункерах. Судя по SEM снимкам нановолокон, оптимистичным анализом плотности паковки будет 30-40%В последние 5 лет большее внимание приковано к синтезу нановолокон непосредственно на токоприемнике, что имеет ряд серьёзных преимуществ: Обеспечивается непосредственный контакт рабочего матрериала с токоприемником, улучшается контакт с электроитом, снимается необходимость в графитовых добавках. минуется несколько стадий производства, значительно увеличивается плотность паковки рабочего вещества. K. Chan и соавторы испытывая нановолокна Ge получили 1000mAh/g (800Ah/l ) для невысокой мощности и 800→550(650→450 Ah/l*) при 2С через 50 циклов [5]. В тоже время Yanguang Li и савторы показали высокую ёмкость и огромную мощность Со3О4: 1100 → 800 mAh/g (880 → 640Ah/l*) после 20 циклов и 600 mAh/g (480 Ah/l*) при 20 кратном увеличении тока [6]

Отдельно следует отметить и порекомендовать всем для ознакомления воодушевляющие работы A. Belcher**, которые являются первыми ступеньками в новую эру биотехнологий. Модифицировав вирус бактериофаг, А. Белхер удалось построить на его основе нановолокна при комнатной температуре, за счет естественного биологического процесса. Учитывая высокую структурную четкость таких волокон, полученные электроды не только безвредны для окружающей среды, но и показывают как уплотнение паковки волокон, так и значительно более долговечную работу [7][8][9]назад к выводам

*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение) **Angela Belcher – выдающийся ученый (химик, электрохимик, микробиолог). Изобретатель синтеза нановолокон и их упорядочивания в электроды посредством специально выведенных культур вирусов (см. интервью)
Приложение
Как было сказано, заряд анода происходит через реакцию Я не нашел в литературе указаний на фактические показатели расширения электрода при зарядке, поэтому предлагаю оценить их по наименьшим возможным изменениям. То есть по соотношению молярных объёмов реагентов и продуктов реакции (VLihitated — объём заряженного анода, VUnLihitated — объём разряженного анода) Плотности металлов и их оксидов можно легко найти в открытых источниках. Надо иметь в виду, что полученная объемная емкость это емкость сплошного активного вещества, поэтому в зависимости от вида структуры активное вещество занимает различную долю объема всего материала, это ы буде учитывать вводя коэффициент паковки kp. Например для порошка он 50-70%

[1] Highly reversible Co3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries. H.Kim et al. CARBON 49( 2011) 326 –332 [2] Nanostructured Reduced Graphene Oxide/Fe2O3 Composite As a High-Performance Anode Material for Lithium Ion Batteries. ACSNANO VOL. 4 ▪ NO. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010 [3] Nanostructured Metal Oxide Anodes. A. C. Dillon. 2010 [4] A New Way Of Looking At Bunker Silage Density. R. E. Muck. U S Dairy Forage Research Center Madison, Madison WI [5] High Capacity Li Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 307-309 [6] Mesoporous Co3O4 Nanowire Arrays for Lithium Ion Batteries with High Capacity and Rate Capability. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 265-270 [7]Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 April 2006 / Page 1 / 10.1126/science.112271 [8]Virus-Enabled Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries. Xilin Chen et al. ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366–5372. [9] VIRUS SCAFFOLD FOR SELF-ASSEMBLED, FLEXIBLE AND LIGHT LITHIUM BATTERY MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Катоды литий ионных батареек должны главным образом быть способны принимать ионы лития, и обеспечивать высокое напряжение, а значит вместе с ёмкостью большую энергию.

Интересная ситуация сложилась в области разработки и производства катодов Li-Ion батарей. В 1979 году John Goodenough и Mizuchima Koichi запатентовали катоды для Li-Ion батарей со слоистой структурой типа LiMO2 под которые попадают почти все сущесвующие катоды литий ионных батарей. [1][2] Ключевые элементы катодакислород, как связующее звено, мост, а также ”цепляющего” литий своими электронными облаками. Переходный метал (т.е.метал обладающий валентными d-орбиталями), поскольку он может образовывать структуры с различным числом связей. Первые катоды использовали серу TiS2[5][6], но потом перешли к кислороду, более компактному, а главное более электроотрицательному элементу, дающего практически полностью ионную связь с металами. Слоистая структура LiMO2(*) наиболее распространенная, и все разработки куртятся вокруг трёх кандидатов M=Co, Ni, Mn и постоянно засматриваются на очень дешевый Fe.

Fe Mn Ni Co
содержание в земной коре(ppm) 50000 950 75 25
Рыночная стоимость($/кг) 0.23 0.5 13 25
ПДК в воздухе (мг/м3) 10 5 1 0.1
ПДК в воде(мг/л) 300 200 13.4 0.7
Кобальт, вопреки многому, захватил олимп сразу и ужерживает её до сих пор (90% катодов), но благодаря высокой стабильности и правильности слоистой структуры со 140 mAh/g емкость LiCoO2 возросла до 160-170mAh/g, благодаря расширению диапазона напряжений. Но из-за редкости для Земли, Со слишком дорог, и его применение в чистом виде может быть оправдано только в малых батареях, например, для телефонов. 90% рынка занято самым первым, и на сегодняшний момент, все еще самым компактным катодом.Никель был и остается многообещающим материалом, показывающим высокие 190mA/g, но он гораздо менее устойчив и такой слоистой структуры в чистом виде для Ni не существует[5]. Извлечение Li из LiNiO2 производит почти в 2 раза больше теплаx чем из LiCoO2[3], что делает его применение в этой области неприемлемым. Марганец. Еще одной хорошо изученной структурой является, изобретенный в 1992г. Жан-Мари Тараско[4], катод вида спинели оксида марганца LiMn2O4: при немного более низкой ёмкости, этот материал гораздо дешевле LiCoO2 и LiNiO2 и гораздо надежней. На сегодняшний день это хороший варинат для гибридного автотранспорта. Последние разработки связаны с легированием никеля кобальтом, который значительно улучшает его структурные свойства. Так же отмечено значительное улучшение устойчивости при легировании Ni электрохимически неактивным Mg: LiNi1-yMgyO2. Известно множество сплавов LiMnxO2x, для Li-ion катодов.Фундаментальная проблема — как увеличить ёмкость. Мы уже видели на примере олова и кремния, что самым очевидным способом увеличения ёмкости является путешествие вверх по переодической таблице, но к всеобщему сожалению, над ныне используемыми переходными металами ничего нет (рис. справа). Поэтому весь прогресс последних лет связанный с катодами в общем связан с устранением недостатков уже существующих: увеличением долговечности, улучшением качества, изучением их комбинаций (рис. выше слева)Железо. С самого начала литий ионной эры предпринималось множество попыток задействовать железо в катодах, но все безуспешно. Хотя LiFeO2 был бы идеальным дешевым и мощным катодом, было показано[7], что Li не может быть извлечен из структуры в нормальном диапазоне напряжений [8]. Ситуация изменилась радикально в 1997 году с ис-следованием э/х свойств Оливина LiFePO4. Высо-кая ёмкость (170 mAh/g) примерно 3.4V с литиевым анодом и отсутсвие серьёзного падения ёмкости даже через несколько сот циклов. Главным недостатком оливина долгое время являлась плохая проводимость, что существенно ограничивало мощность. Для исправления ситуации были предприняты классические ходы (измельчение с покрытием графитом) используя гель с графитом удалось добится высокой мощности при 120mAh/g на 800 циклах. Действительно огромного прогресса удалось добиться мизерным легированием Nb, увеличив проводимость на 8 порядков. Все говорит о том, что Оливин станет самым массовым материалом для электромобилей. За эксклюзивное обладание правами на LiFePO4 уже не первый год судятся A123 Systems Inc. и Black & Decker Corp, не без основания полагая, что за ним будущее электромобилей. Не удивляйтесь, но патенты оформлены все на того же капитана катодов — Джона Гудэнафа. Оливин доказал возможоность использования дешевых материалов и пробил своеобразную платину. Инженерая мысль сразу же устремилась в образовавшееся пространство. Так, например, сейчас активно обсуждаются замена сульфатов флюрофосфатами, что позволит увеличить вольтаж на 0,8 V т.е. Увеличить энергию и мощность на 22% [9]. Забавно: пока идет спор о правах на использование оливина, я наткнулся на множество noname производителей, предлагающих элементы на новом катоде,назад к выводам * Все данные соединения устойчиво существую только вместе с Литием. И соответственно изготоавливаются уже насыщенные им. Поэтому при покупке батарей на их основе необходимо сначала зарядить аккумулятор, перегнав часть лития на анод.** Разбираясь в развитии катодов литий-ионных батарей, невольно начинаешь воспринимать его, как дуэль двух гигантов: Джона Гудэнафа и Жана-Мари Тараско. Если Гудэнаф запатентовал свой первый принципиально успешный катод 1980 (LiCoO2) году, то др. Траско ответил двенадцатью годами позже (Mn2О4). Второй принципиальное достижение американца состоялось в 1997 году(LiFePO4), а в середине минувашего десятилетия француз занимается расширением идеи, внедряя LiFeSO4F, и занимается работами по использованию полностью органических электродов [1] Goodenough, J. B.; Mizuchima, K. U.S. Patent 4,302,518, 1980. [2] Goodenough, J. B.; Mizushima, K. U.S. Patent 4,357,215, 1981. [3] Lithium-Ion Batteries Science and Technologies. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa [4] Method for preparation of LiMn2 O4 intercalation compounds and use thereof in secondary lithium batteries. Barboux; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean-Marie. Bell Communications Research, Inc. 1992 US Patent 5,135,732. [5] Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271−4301 [6] Rechargeable electrochemical cell with cathode of stoichiometric titanium disulfide Whittingham; M. Stanley. US Patent 4,084,046 1976 [7] Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145. [8] Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271−4301 [9]A 3.6 V lithium-based fluorosulphate insertion positive electrode for lithium-ion batteries. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 and J-M. Tarascon. NATURE MATERIAL November 2009.

Приложение

Емкость катодов определяется опять же, как максимальный извлеченный заряд на на вес вещества, например группыLi1-xMO2+Li++e- ---> LixMO2 Например для Co при степени извлечения Li x=0.5 емкость вещества будет На данный момент улучшение в техпроцессе позволили увеличить степень извлечения и достичь 160mAh/g Но, безусловно, большинство порошков на рынке не достигают этих показателей

Органическая эра. В начале обзора одним из главных побуждающих факторов в переходе к электромобилям мы назвали снижение загрязнения окружающей среды. Но возьмем, например, современный гибридный автомобиль: он, безусловно, сжигает меньше топлива, но при производстве аккумулятора к нему на 1 kWh сжигается примерно на 387 kWh углеводородов. Конечно, такой автомобиль выбрасывает меньше загрязняющих веществ, но от парникового газа при производстве все равно никуда не деться (70-100 kg CO2 на 1 kWh). К тому же в современом обществе потребления товары не испрользуются до исчерпания их ресурса. То есть срок на то, чтобы ”отбить” этот энергетический кредит невелик, а утилизация современных батарей занятие дорогое, и не везде дос-тупное. Тем самым, энергетическая эффективность современных аккумуляторов все еще под вопросом [1]. В последнее время появилось несколько обнадеживающих биотехнлогий, позвооляющих синтезировать электроды при комнатной температуре. А. Белчер (вирусы), Ж.М. Тараско (использование бактерий).Отличным примером такого перспективного биоматериала является литизированный оксокарбон – Li2C6O6 (Радизонат Лития)[2], который, обладая способностью обратимо размещать в себе до четырех Li на формулу, показал большую гравиметрической ёмкость но поскольку восстановление связано с пи-связями, несколько меньшим по-тенциалом (2.4 V). Аналогично рассматривают, как основу для положительного электрода, другие ароматические кольца [2], так же рапортуя о существенном облегчении батарей. Главным ”недостатком” любых органических соединений является их малая плотность, поскольку вся органическая химия занимается легкими элементами С, H, O и N. Чтобы понять насколько перспективным является данное направление достаточно сказать, что эти вещества могут быть получены из яблок и кукурузы, а также легко утилизируемы и перерабатываемы. Радизонат лития уже считался бы самым перспективным катодом для автопрома, если бы не ограниченная плотность тока (мощность) и самым перспективным для портативной электроники, если бы не низкая плотность материала(низкая об. емкость) (рис. слева). А пока это еще только один из самых многообещающих фронтов работ.назад к выводам

[1] например см. Hybrid vs disel [2] Yasushi Morita et al.Nature Mat. 10,947–951(2011)Конечно, что-то описано очень поверхностно, может даже не совсем корректно, но достаточно, чтобы очертить перспективы ВСЕГО ВАМ ИНТРЕСНОГО

geektimes.com

Аккумуляторы будущего — перспективные технологии

Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает. Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы. Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью. Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.

Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора. Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков. Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.

Идет ли речь об электромобиле или мобильных устройствах, универсальные требования к аккумулятору будущего очевидны – он должен быть меньше, легче и накапливать значительно больше энергии. Какие перспективные разработки в этой области могут удовлетворить данные требования?

Литий-ионные и литиево-полимерные батареи

аккумулятор Ricoh WG-4 GPSЛитий-ионный аккумулятор фотоаппарата

На сегодняшний день в мобильных устройствах наибольшее распространение получили литий-ионные и литиево-полимерные батареи. Что касается литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion), то они производятся еще с начала 90-х годов. Их главное преимущество – достаточно высокая энергетическая плотность, то есть способность сохранять определенный объем энергии на одну единицу массы. Кроме того, в таких батареях отсутствует пресловутый «эффект памяти» и имеется сравнительно низкий саморазряд.

Использование лития вполне обоснованно, ведь этот элемент обладает высоким электрохимическим потенциалом. Недостатком всех литиево-ионных батарей, коих на самом деле в настоящее время насчитывается большое количество видов, является достаточно быстрое старение аккумулятора, то есть резкое снижение характеристик при хранении или длительном использовании батареи. К тому же, потенциал емкости современных литий-ионных батарей, судя по всему, уже практически исчерпан.

Дальнейшим развитием литий-ионной технологии являются литиево-полимерные источники питания (Li-Pol). В них вместо жидкого электролита используется твердый материал. В сравнении со своим предшественником, литиево-полимерные батареи имеют более высокую энергетическую плотность. Вдобавок, теперь стало возможным производить батареи практически в любой форме (литий-ионная технология требовала только цилиндрической или прямоугольной формы корпуса). Такие батареи обладают небольшими габаритами, что позволяет с успехом применять их в различных мобильных устройствах.

Однако появление литиево-полимерных батарей кардинальным образом не изменило ситуацию, в частности, потому, что такие батареи не способны отдавать большие токи разряда, а их удельная емкость все же недостаточна, чтобы избавить человечество от необходимости постоянной подзарядки мобильных устройств. Плюс ко всему, литиево-полимерные аккумуляторы довольно «капризны» в эксплуатации, они имеют недостаточную прочность  и склонность к возгоранию.

Перспективные технологии

Перспективные технологии аккумуляторов

В последние годы ученые и исследователи в различных странах активно работают над созданием более совершенных технологий аккумуляторных батарей, способных уже в ближайшем будущем прийти на смену существующим. В этом плане можно выделить несколько наиболее перспективных направлений:

— Литий-серные батареи (Li-S)

Литий-серный аккумулятор – перспективная технология, энергоемкость подобной батареи в два раза выше, чем у литий-ионных. Но в теории она может быть еще выше. В таком источнике питания используется жидкий катод с содержанием серы, при этом он отделен от электролита особой мембраной. Именно за счет взаимодействия литиевого анода и серосодержащего катода была существенно увеличена удельная емкость. Первый образец подобного аккумулятора появился еще в 2004 году. С того момента был достигнут определенный прогресс, благодаря чему усовершенствованный литий-серный аккумулятор способен выдерживать полторы тысячи циклов полной зарядки-разрядки без серьезных потерь в емкости.

К преимуществам данного аккумулятора также можно отнести возможность применения в широком диапазоне температур, отсутствие необходимости в использовании усиленных компонентов защиты  и сравнительно низкую себестоимость. Интересный факт – именно благодаря применению такого аккумулятора в 2008 году был поставлен рекорд по продолжительности полета на воздушном судне на солнечных батареях. Но для массового выпуска литиево-серного аккумулятора ученым еще придется решить две основные проблемы. Требуется найти эффективный способ утилизации серы, а также обеспечить стабильную работу источника питания в условиях смены температурного или влажностного режима.

— Магниево-серные батареи (Mg/S)

Обойти традиционные литиевые батареи могут и аккумуляторы, базирующиеся на соединении магния и серы. Правда, до последнего времени никто не мог обеспечить взаимодействие этих элементов в одной ячейке. Сам магниево-серный аккумулятор выглядит очень интересным, ведь его энергетическая плотность может доходить до более чем 4000 Вт-ч/л. Не так давно благодаря американским исследователям, по всей видимости, удалось решить основную проблему, стоящую на пути разработки магниево-серных батарей. Дело в том, что для пары магний и сера не было никакого подходящего электролита, совместимого с этими химическими элементами.

Однако ученые сумели создать такой приемлемый электролит за счет образования особых кристаллических частиц, обеспечивающих стабилизацию электролита. Образец магниево-серного аккумулятора включает в себя анод из магния, сепаратор, катод из серы и новый электролит. Впрочем, это только первый шаг. Перспективный образец, к сожалению, пока не отличается долговечностью.

— Фторид-ионные батареи

Еще один интересный источник питания, появившийся в последние годы. Здесь за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. При этом анод и катод содержат металлы, преобразующиеся (в соответствии с направлением тока) во фториды, либо восстанавливающиеся обратно. Благодаря этому обеспечивается значительная емкость батареи.  Ученые заявляют, такие источники питания имеют энергетическую плотность, в десятки раз превосходящую возможности литий-ионных батареек. Помимо значительной емкости, новые аккумуляторы также могут похвастаться существенно меньшей пожароопасностью.

На роль основы твердого электролита было перепробовано множество вариантов, но выбор, в конечном счете, остановился на лантане бария. Хотя фторид-ионная технология кажется очень перспективным решением, она не лишена недостатков. Ведь твердый электролит может стабильно функционировать лишь при высоких температурах. Поэтому перед исследователями стоит задача отыскать жидкий электролит, способный успешно работать при обычной комнатной температуре.

— Литий-воздушные батареи (Li-O2)

В наши дни человечество стремится к использованию более «чистых» источников энергии, связанных с генерацией энергии солнца, ветра или воды. В этом плане очень интересными представляются литий-воздушные батареи. В первую очередь, они рассматриваются многими экспертами в качестве будущего электромобилей, но с течением времени могут найти применение и в мобильных устройствах. Такие источники питания обладают очень высокой емкостью и при этом сравнительно малыми размерами. Принцип их работы следующий: вместо оксидов металла в позитивном электроде применяется углерод, который вступает в химическую реакцию с воздухом, в результате чего создается ток. То есть для выработки энергии здесь частично используется кислород.

Использование кислорода в качестве активного материала катода имеет свои существенные преимущества, ведь он является практически неисчерпаемым элементом, а самое главное, абсолютно бесплатно берется из окружающей среды. Считается, что плотность энергии у литий-воздушных батарей сможет достигать впечатляющей отметки в 10 000 Втч/кг. Может быть, в недалеком будущем подобные батареи смогут поставить электромобили в один ряд с машинами на бензиновом двигателе. Кстати, аккумуляторы подобного типа, выпущенные для мобильных гаджетов, уже можно встретить в продаже под названием PolyPlus.

— Литий-нанофосфатные батареи

Литий-нанофосфатные источники питания – это следующее поколение литиево-ионных батареек, которые характеризуются высокой отдачей тока и сверхбыстрой зарядкой. Для полной зарядки такой батареи требуется всего пятнадцать минут. Они также допускают в десять раз больше циклов зарядки в сравнении со стандартными литий-ионными элементами. Таких характеристик удалось добиться благодаря использованию особых наночастиц, способных  обеспечить более интенсивный поток ионов.

К достоинствам литий-нанофосфатных батарей можно отнести также слабый саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и способность работать в условиях широкого диапазона температур. Литий-нанофосфатные батареи уже доступны в продаже и применяются для некоторых типов устройств, однако их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес в сравнении с современными литий-ионными или литийево-полимерными аккумуляторами.

В действительности, перспективных технологий в области создания аккумуляторных батарей гораздо больше. Ученые и исследователи работают не только над созданием принципиально новых решений, но и над улучшением характеристик существующих литий-ионных батареек. Например, за счет использования кремниевых нанопроводов или разработки нового электрода, обладающего уникальной способностью к «самозаживлению». В любом случае уже не за горами тот день, когда наши телефоны и другие мобильные устройства будут жить целые недели без подзарядки.

www.electronics-review.ru

Пять лучших аккумуляторов будущего | Нанотехнологии Nanonewsnet

По мнению аналитиков Wall Street Journal, которые делают ставку на прорыв в области источников тока, команда ученых, создавшая более дешевые в производстве и эффективные Li-ion аккумуляторы, заработает несколько миллиардов всего за одну ночь. А что мы имеем уже сегодня? Какие наиболее перспективные и наиболее обещающие технологии нас ждут в ближайшем будущем?

Сразу следует отметить, что пройдет еще немало времени, прежде чем сотовые телефоны смогут «жить» месяцами без зарядки, электромобили проезжать больше 800 км на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а дома хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников для того, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.

Мы выделили для Вас пять самых перспективных проектов, которые должны в будущем воплотиться в коммерческих продуктах.

1. Батареи, в которых вместо графитовых анодов используются кремниевые нанопровода диаметром 100 нм и длиной в несколько микрон

1361124288_rsrrrrerrsr-rrrrryisrrrrr.jpg Рис. 1.

Только недавно ученые из Южно-Калифорнийского университета доказали, что для воплощения данного проекта в коммерческий продукт не нужно пять или десять лет. Ученым удалось увеличить емкость батарей втрое и сократить время зарядки до 10 минут.

1361124239_ryirryessssr-srsrr-ryirsresssr-srrrsrrrsr-rrrrryisrrrrr.jpeg Рис. 2.

2. Батареи, в которых используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками

Ученые из Стэнфордского университета разработали новый тип анодов из углеродных нанопроводов. Изначально ученые столкнулись с быстрым выходом батарей из строя по причине разрушения материала в результате расширения и сжатия во время перезарядки, но они нашли выход из ситуации путем покрытия пористых углеродных нанопроводов серой и улучшения другой составной Li-ion аккумуляторов (катода) электролитическими добавками. В результате емкость батарей удалось увеличить в четыре-пять раз.

3. Литий-воздушные батареи

4.jpg Рис. 3.

Компания IBM в сотрудничестве с исследователями, государственными лабораториями и лидерами в отрасли работают над проектом Project 500. Компания IBM называет данные батареи литий-воздушными. Их работу можно описать следующим образом: вместо оксидов металла в позитивном электроде используется углерод, вступающий в реакцию с воздухом для создания электрического тока. Использование углерода делает батареи данного типа заметно легче по сравнению с графитовыми аналогами. По словам IBM, данные батареи позволят поставить электромобили в один ряд с бензиновыми авто, хотя на автомобильной индустрии их применение не закончится. По словам IBM, первый стабильный и полностью рабочий прототип батареи данного типа появится уже в этом году.

4. Батареи, в которых применены аноды из олова

Ученые из Вашингтонского университета разработали технологию, которая поможет утроить емкость Li-ion аккумуляторов, сократить время зарядки и продлить срок службы. Данная технология, которая была запатентована учеными под руководством профессора Гранта Нортона (Grant Norton), описана следующим образом: графитовые (карбоновые) электроды были заменены анодами из олова. Коммерческие Li-ion аккумуляторы, в которых применены аноды олова, с виду не отличаются от графитовых аналогов и не требуют дополнительных затрат на внесение изменений в конструкции устройств.

5. Батареи, в которых применены кристаллы магнетита из зубов моллюсков

Еще в начале января текущего года сообщалось об открытии Дэвида Кизайлуса (David Kisailus) из Калифорнийского университета в Риверсайде. Он заявил, что идеальным материалом для создания дешевых наноматериалов, которые смогут в разы повысить эффективность солнечных элементов и литий-ионных батарей, является самый твердый биоминерал на Земле – магнетит. Примечательно то, что он содержится в зубах панцирного моллюска.

Достижения господина Кизайлуса могут обеспечить производство более дешевых солнечных и литий-ионных батарей, на подзарядку которых будет уходить намного меньше времени.

www.nanonewsnet.ru

Аккумуляторы будущего: чего ждать от технологий?

Самым слабым местом современных смартфонов и прочих гаджетов является аккумулятор, который требует регулярной зарядки, не позволяя добиться более-менее приличной автономной работы. Та же проблема стоит и перед электромобилями, которые на одном заряде могут проехать пока не более ста километров, а при не очень развитой инфраструктуре и длительном процессе зарядке это существенно ограничивает данную технологию.

Но разработки в этом плане уже ведутся, ведь на спрос всегда поступает предложение. Уже были идеи заменить литий-ионные аккумуляторы на литий-серные. Последние являются более емкими и не теряют эту емкость даже после 1500 циклов зарядки/разрядки. Но пока еще не решен вопрос с их утилизацией, а также тонкости эксплуатации при некоторых экстремальных условиях. Кроме этого, появились и другие более испытанные технологии.

Живые аккумуляторы

Одна из проблем, присуща литий-ионным аккумуляторам, решена стэндфордскими учеными. Так, обычная батарея в процессе эксплуатации способна покрываться микротрещинами, причем происходит это достаточно быстро, а при активной эксплуатации аккумулятор может прийти в негодность уже после двух лет использования. Поэтому было придумано покрыть батареи специальным полимером, в который добавить частицы графита, способного к «самозаживлению» по аналогии к используемой технологии в военной технике.

Те батареи, которые уже были изготовлены с таким специальным покрытием в лабораторных условиях, пережили около сотни циклов зарядки/разрядки, а их емкость при этом не снизилась. Если эксперименты и дальше будут успешными, то после того, как ученые добьются стабильной емкости после 300 циклов, технология вполне может появиться и на рынке смартфонов, а если количество таких циклов достигнет и 3000, а емкость батареи при этом не снизится, то революция может ждать и электрокары. Впрочем, ничего более пока неизвестно, а дату появления своей разработки ученые не называют.

Решение для электрокаров

Аккумуляторы электрокаров имеют еще больше проблем, чем аккумуляторы смартфонов. Мало того, что специальных заправок и розеток пока еще мало, даже в развитых странах, так и сам процесс зарядки может затянуться на несколько часов, что неприемлемо, особенно при путешествиях или деловых поездках. Соответственно, нужно разработать принципиально новый способ передачи электроэнергии. И он был найден.

Были предложены полностью новые типы заправочных станций, которые будут оборудованы передатчиками и приемниками электроэнергии одного размера, что позволит передавать огромное количество энергии прямо через воздух и даже на ходу, однако такая передача будет сопровождаться сильным электромагнитным излучением. А это делает невозможным использование технологии на обычных АЗС, ведь там и так полно всевозможных электрических приборов. А вот оборудовать специальные станции-коридоры вдоль трасс вполне можно, тогда батарея автомобиля будут заряжаться прямо на ходу, т.е. не придется останавливаться, а аккумулятор будет всегда заряжен. К сожалению, пока мощность таких устройств не превышает 0,5 кВт, но разработчики уверены, что в скором времен они достигнут мощности в 50 кВт, и вот тогда эта идея может быть воплощена в жизнь.

Гибкие аккумуляторы

Одна из проблем сегодняшних батарей проявляется еще и в том, что они жесткие, негибкие и достаточно тяжелые. Именно это является препятствием в разработке нового дизайна гаджетов, новой конфигурации и возможности гнуться. Специалисты из компании Nokia уже запатентовали новую технологию, которая позволит создавать гибкие аккумуляторы и, соответственно, гибкие смартфоны, а также вместить в аккумулятор как можно больше нужных микросхем, чтобы сделать работу гаджетов более быстрой и надежной. Над подобной проблемой работает и другая группа ученых – из Нью-Джерси. Там для решения задачи были использованы углеродные нанотрубки, которые можно многократно сгибать и разгибать. Их решение также поддается масштабированию, т.е. батареи можно будет выпускать в любом размере.

Вероятность появления и использования гибких аккумуляторов достаточно высока, ведь многие компании уже начали работать над выпуском гибких гаджетов, но пока удалось добиться только гибких дисплеев.

Быстрая зарядка

Если в современных аккумуляторах для их подзарядки используются химические реакции, на что уходят часы времени, то использование кремниевых батарей, где зарядка будет происходить за счет накопления ионов на поверхности самого материала сократит эту процедуру до считанных минут или даже секунд.

Для реализации данной идеи остается лишь решить проблему с излишней активностью кремния, поэтому его предлагают покрывать слоем неактивного графена. Такая технология уже подтвердила свою действенность на практике, но вот когда она появится в непосредственном использовании, неизвестно.

Експресс-зарядку обещают также ученые из Южной Кореи, где разработан ионистор, основанный на графене. Он способен заряжаться за 16 секунд! Один минус – он накапливает немного меньше электричества, чем обычный литий-ионный аккумулятор, зато такая быстрая зарядка не утомит пользователей, даже если будет проводиться несколько раз в день.

Естественно, некоторые из данных технологий могут показаться фантастикой, но ведь и персональные компьютеры и ноутбуки еще в прошлом веком казались чем-то недостижимым.

gooosha.ru

заряд за несколько секунд и работа на протяжении месяца

Смартфоны, планшеты и прочие гаджеты работают от батарей. От батарей зависит не только время работы устройства, но и время, необходимое для зарядки аккумулятора. В данной статье мы собрали последние разработки и инновации из области аккумуляторов. От источников питания, которые заряжаются за 30 секунд, до технологий передачи заряда по воздуху. Возможно, некоторые из описанных технологии скоро появятся в наших устройствах.

По сравнению со смартфонами, батареи развиваются достаточно медленно.

Исследованиями аккумуляторов занимаются крупнейшие производители электроники и автомобильные корпорации. Современные электронные компоненты и оптимизация программного обеспечения позволяют несколько увеличить время работы устройства от батареи. Тем не менее, обычно мобильное устройство работает от аккумулятора не более двух дней.

Итак, давайте перейдем непосредственно к рассмотрению наиболее интересных разработок в сфере аккумуляторных батарей.

Биологическое зарядное устройство Bioo

Известно, что растения используют солнечную энергию для накопления веществ, богатых энергией. Новое зарядное устройство Bioo позволяет использовать продукты фотосинтеза для зарядки мобильных устройств, планшетов и смартфонов. Это не прототип, устройство уже в продаже.

Заряжать можно 2-3 раза в день, сила тока на выходе составляет 5 ампер, напряжение — 3,5 вольт. Выделение электроэнергии происходит за счет химического взаимодействия органических веществ и воды. USB порт замаскирован под камень.

Батареи на золотых нанопроводниках

Емкость обычного аккумулятора снижается с увеличением количества зарядок. Ученые из калифорнийского университета разработали батареи с золотыми нанопроводниками, которые можно перезаряжать сколько угодно раз.

Нанопроводники, толщина которых в тысячи раз тоньше человеческого волоса, открывают огромные возможности аккумуляторов будущего. Однако в процессе повторных зарядок они постепенно разрушаются. Золотые нанопроводники в гелевом электролите лишены этого недостатка. В процессе тестирования батареи перезаряжали 200 000 раз в течении трех месяцев и даже после такой значительной нагрузки их емкость осталась прежней.

Твердотельные литий ионные батареи

Твердотельные батареи отличаются высокой надежностью. В статье, опубликованной исследователями из компании Toyota, описаны тесты твердотельных аккумуляторов, в которых используется сульфидные супер ионные проводники. Проще говоря, они разработали хорошие батареи.

Батареи, которые могут работать как супер конденсаторы, полностью заряжаясь и разряжаясь за семь минут — идеальны для электроавтомобилей. То, что батареи твердотельные, также означает высокую надежность и безопасность работы. Такие батареи могут работать при температурах от -30 до +100 градусов Цельсия.

На данном этапе основной проблемой для ученых является электролит, так что на прилавках такие аккумуляторы появятся еще не скоро. Однако это верных шаг на пути к безопасным и быстро заряжающимся аккумуляторам.

Топливные аккумуляторы для смартфонов и дронов

Ученые из университета Южной Кореи создали топливные батареи из пористой нержавеющей стали, пленочного электролита и электродов с минимальной теплоемкостью. Получившиеся в результате батареи, могут работать значительно дольше, чем литий ионные. От новых топливных аккумуляторов смартфоны смогут работать в течение недели, а дроны оставаться в воздухе более часа.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

За графеновыми батареями будущее. В компании Graphenano были разработаны батареи Grabat. Электроавтомобиль с таким аккумулятором может проехать до 800 километров от одной зарядки.

Как утверждают представители компании, батареи полностью заряжаются всего за несколько минут. Они могут заряжаться и разряжаться в 33 раза быстрее литий ионных аккумуляторов. Емкость графеновых батарей 2,3 В огромная — 1000 Wh/kg. Емкость аналогичной литий ионной батареи составляет всего 180 Wh/kg.

Микросуперконденсаторы, изготовленные по лазерной технологии

Ученые из Rice University совершили прорыв в области микросуперконденсаторов. Сейчас изготовление этих устройств очень дорого, однако использование лазеров может коренным образом изменить ситуацию.

Использование лазера для прожига электродов на пластиковой подложке позволяет значительно сократить стоимость и затраты труда при производстве. В результате получаются батареи, которые могут заряжаться в 50 раз быстрее, а разряжаться значительно медленнее современных суперконденсаторов. Кроме того, новые батареи очень износостойкие, в процессе тестирования они выдерживают 10000 нагрузок на изгиб.

Натрий ионные батареи

Натрий ионные батареи были созданы исследователями французской компании RS2E и использовались в ноутбуках. Стандарт, по которому были изготовлены батареи, позволяет использовать их не только в ноутбуках, но и в автомобилях типа Tesla Model S.

Технология изготовления аккумуляторов держится в строжайшем секрете. Батарея размером 6,5 сантиметров может выдавать 90 Ватт в час на килограмм.

Пенные батареи

В компании Prieto верят, что батареи будущего будут изготавливать по технологии 3D. Исследователи компании занимаются разработкой аккумуляторов на основе пористой меди.

Благодаря использованию не воспламеняющегося электролита такие батареи будут не только безопаснее, но смогут дольше функционировать, быстрее заряжаться, иметь большую емкость при меньшем объеме и более высокую плотность.

Батареи Prieto предназначены для небольших устройств, таких как носимая электроника. Однако, размер батарей можно увеличить для применения в смартфонах и электроавтомобилях.

Твердотельные батареи

Исследователи из MIT совместно с Samsung разработали твердотельные батареи, которые по многим показателям значительно превосходят современные литий ионные аккумуляторы. Новые батареи безопаснее, мощнее и работают дольше.

В литий ионных аккумуляторах используется жидкий электролит, через который происходит передача заряда между электродами. Жидкий электролит пожароопасный и ограничивает продолжительность жизни батареи.

Согласно сообщению из MIT, новые батареи могут выдерживать сотни тысяч перезарядок, перед тем как их емкость начинает снижаться. Емкость новых батарей на 20-30 % выше современных аналогов. Использование твердого электролита исключает воспламенение, что делает их идеальными для использования в электроавтомобилях.

Нано «желток» увеличивает емкость в три раза и заряжается за 6 минут

Новая разработка ученых из MIT, в которой используется так называемый нано «желток», позволяет увеличить емкость аккумулятора в три раза. Заряжается такой аккумулятор всего за 6 минут. Кроме того, время жизни такой батареи дольше, чем у обычной. Изготовление батарей относительно недорого и технология скоро пойдет в производство.

Графитно-алюминиевая батарея заряжается всего за минуту

Исследователи из Стенфордского университета разработали графитно-алюминиевую батарею для смартфонов. Время зарядки такой батареи составляет всего одну минуту. Однако, емкость батареи составляет лишь половину емкости современных аналогов. Но, учитывая необычайно быстрое время зарядки, это не должно быть большой проблемой.

Гибкие батареи

Исследователи из университета Аризоны разработали эластичную батарею. Такую батарею можно размещать в ремешке умных часов, что означает большую емкость, а следовательно и время работы от одной зарядки. Гибкие батареи также хорошо подойдут для установки интегрированных в одежду гаджетов для спорта и мониторинга состояния здоровья.

Энергия кожи

Известно, что электроэнергия может выделяться при трении. Было создано устройство, которое получает электроэнергию от кожи человека. Энергии достаточно для питания 12 LED лампочки. В будущем эта технология позволит создавать носимую электронику и умную одежду без батарей.

Как это работает? Электроэнергия собирается электродом, который представляет из себя золотую пленку толщиной 50 нанометров. Золотая пленка находится на силиконовой подложке и имеет достаточно большую площадь контакта. И так как кожа обладает трибоэлектрическими свойствами, устройство может быть достаточно миниатюрным. Ученые уже продемонстрировали гаджет, который может работать от данного источника энергии.

Lumopack заряжает аккумулятор iPhone 6 за 6 минут

Lumopack — это портативный аккумулятор, который был специально разработан для быстрой зарядки. Аккумулятор может полностью зарядить батарею смартфона iPhone 6 всего за шесть минут.

Портативный аккумулятор Lumopack — это разработка компании Lyte Systems. Сам портативный аккумулятор полностью заряжается всего за 30 минут, что в два раза быстрее ближайшего конкурента.

Батарея, которую можно складывать как бумагу

Батарея Jenax J.Flex разрабатывалась специально для использования в гибких устройствах. Батарея не только гибкая как бумага, но и водонепроницаемая. Ее можно использовать в умной одежде и в других носимых устройствах.

Зарядка по воздуху uBeam

В устройстве uBeam для передачи электроэнергии используется ультразвук. Электричество преобразуется в ультразвук, передается и преобразуется обратно в электричество на заряжающемся устройстве.

Концепция была разработана аспиранткой астробиологом Мередис Перри. Она основала стартап по производству подобных зарядных устройств. Трансмиттер, который представляет из себя 5-ти миллиметровую пластину, вешают на стену. Ресивер, который преобразует ультразвук в электричество размещают на ноутбуке или смартфоне.

naobzorah.ru


Смотрите также