Перспективные технологии для аккумуляторов будущего (3 фото). Аккумуляторы перспективные


Перспективные типы аккумуляторных батарей - Avtonov

Удельная энергоемкость современных литий-ионных батарей достигает 200 Вт*ч/кг. В среднем этого хватает лишь на 150 километров пробега без подзарядки, что не идет ни в какое сравнение с пробегом на одной заправке автомобилей с обычным ДВС. Чтобы электромобили стали массовыми, они должны иметь сопоставимый пробег. Для этого нужно довести удельную энергоемкость батарей хотя бы до 350-400 Вт*ч/кг. Описанные ниже перспективные типы батарей смогут ее обеспечить, хотя в каждом случае есть свои «но».

Литий-серные батареи

Сравнительные характеристики Li-S и Li-ion батарейСравнительные характеристики Li-S и Li-ion батарей

Литий-серные батареи отличает большая удельная емкость, которая является следствием того, что в процессе химической реакции каждая молекула отдает не один, а два свободных электрона. Их теоретическая удельная энергия составляет 2600 Вт*ч/кг. Кроме того, такие батареи существенно дешевле и безопаснее литий-ионных.

Базовая Li-S батарея состоит из литиевого анода, серно-углеродного катода и электролита, через который проходят ионы лития. При разряде происходит химическая реакция, в ходе которой литий анода превращается в сульфид лития, осаждающийся на катоде. Напряжение батареи составляет от 1,7 до 2,5 В, в зависимости от степени разряда батареи. Полисульфиды лития, образующиеся в ходе реакции, оказывают влияние на вольтаж батареи.

Химическая реакция в батарее сопровождается рядом негативных побочных явлений. Когда сера катода поглощает ионы лития из электролита, образуется сульфид лития Li2S, который осаждается на катоде. При этом его объем увеличивается на 76%. При заряде происходит обратная реакция, приводящая к уменьшению размеров катода. Вследствие этого катод испытывает значительные механические перегрузки, приводящие к его повреждению и потере контакта с токоприемником. Кроме того, Li2S ухудшает электрический контакт в катоде между серой и углеродом (путь, по которому движутся электроны) и препятствует протеканию ионов лития к поверхности серы.

Другая проблема связана с тем, что в процессе реакции между серой и литием Li2S образуется не сразу, а через серию превращений, в ходе которых образуются полисульфиды (Li2S8, Li2S6 и др.). Но если сера и Li2S нерастворимы в электролите, то полисульфиды – наоборот, растворяются. Это приводит к постепенному уменьшению количества серы на катоде. Еще одна неприятность — появление шероховатостей на поверхности литиевого анода при прохождении больших разрядных и зарядных токов. Все это, вместе взятое, приводило к тому, что такая батарея выдерживала не более 50-60 циклов разряда-заряда и делало ее непригодной для практического использования.

Нанокомпозитный катод Li-S батареиНанокомпозитный катод Li-S батареи

Однако последние разработки американцев из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволили преодолеть эти недостатки. Ими создан уникальный катод из нанокомпозитного материала (оксида графена и серы), целостность которого поддерживается с помощью эластичного полимерного покрытия. Поэтому изменение размеров катода в ходе разряда-заряда не приводит к его разрушению. Для защиты серы от растворения применяется ПАВ (поверхностно активное вещество). Так как ПАВ является катионным (т.е. притягивается к поверхности слоя серы), оно не препятствует литиевым анионам реагировать с серой, но не позволяет образовавшимся при этом полисульфидам растворяться в электролите, удерживая их под своим слоем. Также разработан новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды. Ионная жидкость и намного безопаснее — она не горит и почти не испаряется.

В результате всех описанных нововведений значительно повышается производительность батареи. Ее начальная удельная энергия составляет 500 Вт*ч/кг, что более чем в два раза превышает показатель Li-ion батарей. После 1500 20-часовых циклов разряда-заряда (С=0,05) ее удельная энергия снизилась до уровня свежей Li-ion батареи. После 1500 1-часовых циклов (С=1) снижение составило 40-50%, но батарея по-прежнему сохранила работоспособность. Когда же батарею испытывали при большой мощности, подвергая 10-минутному циклу разряда-заряда (С=6), то даже после 150 таких циклов ее удельная энергия превышала удельную энергию свежей Li-ion батареи.

Предполагаемая цена такой Li-S батареи не превысит 100$ за каждый кВт*ч емкости. Многие инновации, предложенные командой исследователей из Беркли, могут быть использованы и для улучшения существующих Li-ion батарей. Для создания практической конструкции LiS батареи разработчики ищут партнёров, которые профинансируют окончательную ее доводку.

Литий-титанатовые батареи

Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие. Новая технология предполагает значительное сокращение «бесполезных» материалов в конструкции аккумулятора.

Новейшие литий-титанатовые батареи помогли преодолеть еще один недостаток Li-ion аккумуляторов – их недолговечность и длительность подзарядки. В ходе исследований было обнаружено, что при зарядке большими токами ионы лития вынуждены «продираться» между микропластинками графита, тем самым постепенно разрушая электроды. Поэтому графит в электродах заменили структурами из наночастиц титаната лития. Они не мешают движению ионов, что в итоге привело к фантастическому увеличению срока службы – более 15000 циклов в течение 12 лет! Время зарядки с 6-8 часов сокращается до 10-15 минут. Дополнительные преимущества – термостабильность и меньшая токсичность.

По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке. При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних — всего 250 долл. за кВт/ч.

Литий-воздушные батареи

Схема работы литий-воздушного аккумулятораСхема работы литий-воздушного аккумулятора

Технологии не стоят на месте, и ученые уже работают над созданием практической конструкции литий-воздушного (LiO2) аккумулятора. Его теоретическая энергетическая емкость выше в 8-10 раз, чем у литиево-ионного. Для того чтобы уменьшить вес батареи, сохранив при этом, или даже увеличив ее емкость, ученые предложили радикальное решение – отказ от традиционного катода: литий будет взаимодействовать непосредственно с кислородом из воздуха. Благодаря каталитическому воздушному катоду предполагается не просто увеличить энергоемкость аккумулятора, но и уменьшить почти во столько же раз его объем и вес.

Для массового производства литий-воздушная технология требует решения множества технических и научных задач, среди которых создание эффективного катализатора, литиевого анода и стабильного твердого электролита, способного работать при низких температурах (до -50C). Кроме того, нужно разработать технику нанесения катализатора на поверхность катода, создать мембрану, которая бы предотвращала проникновение кислорода на литиевый анод, а также разработать методы изготовления специальных пористых электродов.

avtonov.info

Аккумуляторы будущего: перспективные разработки | Наука и технология

С каждым годом растет количество устройств, работающих от аккумуляторных батарей.

Они становятся сложнее, потребляют больше электроэнергии (последнее, в частности, относится к мобильным устройствам с большими и яркими экранами, а также различными модулями беспроводной связи). Это обстоятельство в сочетании с растущей конкуренцией заставляет разработчиков искать перспективные технологии изготовления аккумуляторов, которые позволили бы выпускать легкие, компактные и при этом – более емкие батареи. Стремясь достичь этой цели, производители в наши дни идут несколькими путями, о которых мы поговорим подробнее.

Отправной точкой для всех перспективных идей сегодня являются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют высокую энергетическую плотность (способность хранить определенное количество энергии на единицу массы), не подвержены «эффекту памяти». Производители совершенствуют электролит, используемый в литий-ионных аккумуляторах (речь идет о безводной жидкости на основе солей лития), повышая энергетическую плотность источников питания. Движение по этому пути нередко приводит к проблеме: аккумуляторные батареи начинают сильно греться, что может быть небезопасным. Решение было предложено компанией Toyota в 2010 году: специалисты японского автоконцерна начали использовать в качестве электролита твердое вещество. Разработанные аккумуляторы выделяют меньше тепла, при этом они устойчивы к высоким температурам и не требуют активного охлаждения. Предполагается, что их серийное производство начнется в 2014-2015 годах.

На сегодняшний день литий-ионные батареи являются весьма дорогостоящими изделиями для того, чтобы использовать их в качестве тяговых аккумуляторов для электропогрузчиков, электрокаров, поломоечных машин и других аккумуляторных машин. Поэтому в этой области получили широкое распространение свинцово-кислотные тяговые аккумуляторные батареи с электролитом на основе раствора серной кислоты. Так как традиционные обслуживаемые аккумуляторы имеют ряд существенных недостатков, связанных, в первую очередь, с необходимостью долива электролита в процессе их эксплуатации и выделением газа во время зарядки, производители пошли по пути создания необслуживаемых АКБ. Сейчас большой популярностью пользуются две основные разновидности необслуживаемых тяговых аккумуляторов: гелевые и AGM. В гелевых аккумуляторах электролит (раствор серной кислоты) с помощью специальных технологий загущается до состояния геля, в который и погружаются свинцовые пластины-электроды. В аккумуляторах, изготавливаемых по технологии AGM (Absorbent Glass Mat) раствор электролита иммобилизован за счет множества микроскопических пор специального стекловолокна, которым заполнено пространство между пластинами и вокруг них. Обе перечисленные разновидности аккумуляторов являются герметизированными и не требуют долива электролита в течение всего срока эксплуатации.

Стремясь улучшить характеристики аккумуляторных батарей, производители работают не только над электролитом, но и над электродами. Традиционно в литий-ионных АКБ применяются графитовые электроды. В наши дни разработчики пытаются заменить их элементами из кремния, благодаря чему значительно увеличивается аккумулирующая способность. Авторство еще одной перспективной разработки принадлежит компании IBM. Ее специалисты создали литий-кислородный аккумулятор, в состав которого входит пористая углеродная мембрана. Она, играя роль одного из электродов, наполняется кислородом атмосферного воздуха и вступает в реакцию с литием. Энергетическая плотность такого аккумулятора в несколько десятков раз выше, чем плотность «обычных» литий-ионных батарей.

Подчеркнем, что выше были перечислены далеко не все современные разработки, позволяющие улучшить характеристики устройств, которые аккумулируют электроэнергию. Ученые Мэрилендского университета стремятся увеличить площадь электродов, применяя для этого, в частности, трубчатые вирусы табачной мозаики, покрытые слоем металла. Специалисты Политехнического института Ренсселира (штат Нью-Йорк) покрывают электроды «наночашками» («nanoscoops») – мельчайшими кремниевыми элементами, сжимающимися и растягивающимися в процессе эксплуатации. Существование этих и многих других технологий позволяет с уверенностью утверждать: уже через несколько лет мы получим возможность пользоваться новыми аккумуляторами, которые по своим характеристикам будут многократно превосходить устройства, доступные в наши дни.

uznayvse.ru

Новые разработки аккумуляторных батарей Li-S, Mg/S, Li-O2, Литий-нанофосфатные батареи

С развитием технологий устройства делают более компактными, функциональными и мобильными. Заслуга такого совершенства аккумуляторные батареи, которые питают устройство. За все время изобретено много разных видов аккумуляторов, которые имеют свои преимущества и недостатки.

Казалось бы, перспективная десяток лет назад технология литий ионных батарей, уже не отвечает требованиям современного прогресса для мобильных устройств. Они недостаточно мощны и быстро стареют при частом использовании или долгом хранении. С тех пор выведены подвиды литиевых батарей, такие как литий-железо-фосфатные, литий-полимерные и другие.

Но наука не стоит на месте и ищет новые способы еще более лучшего сохранения электроэнергии. Так, например, изобретают другие типы батарей.

Литий-серные батареи (Li-S)

Литий серная технология позволяет получать батареи и энергоемкостью которая в два раза превышает за их родителей литий ионных. Без существенной потери в емкости такой тип батарей можно перезарядить до 1500 раз. Преимущество батареи скрывается в технологии изготовления и компоновки, где используется жидки катод с содержанием серы, при этом он отделен специальной мембраной от анода.

Литий серные батареи можно использовать в достаточно широком диапазоне температур, а себестоимость их производства достаточно низка. Для массового применения надо устранить недостаток производства, а именно утилизация серы, которая вредна для экологии.

Магниево-серные батареи (Mg/S)

До последнего времени нельзя было объединить использования серы и магния в одной ячейке, но не так давно ученые смогли это сделать. Для их работы нужно было изобрести электролит, который бы работал с обоими элементами.

Благодаря изобретению нового электролита за счет образования кристаллических частит, которые стабилизируют его. Увы, но опытный образец на данный момент не долговечен, и в серию такое батареи скорей всего не пойдут.

Фторид-ионные батареи

Для переноса зарядов между катодом и анодом в таких батареях используется анионы фтора. Этот тип аккумуляторов имеет емкость которые в десятки раз превышает за обычные литий ионные батареи, а также может похвастаться меньшей пожароопасностью. В основе электролита лежит лантане бария.

Казалось бы, перспективное направление развитие батарей, но и оно не лишено недостатков очень серьезная преграда для массового использования — это работа аккумулятора только при очень высоких температурах.

Литий-воздушные батареи (Li-O2)

Вместе с техническими достижениями человечество уже задумывается о нашей экологии и ищет все более и более чистые источники энергии. В литий воздушных аккумуляторах вместо оксидов металла в электролите применяется углерод, который вступая в реакцию с воздухом создает электрический ток.

Плотность энергии составляет до 10 кВтч/кг, что позволяет их использовать в электромобилях и мобильных устройствах. Ожидает скорое появления для конечного потребителя.

Литий-нанофосфатные батареи

Этот тип батарей является следующим поколение литий ионных батарей, среди преимуществ который является высокая скорость заряда и возможностью высокой отдачи тока. Для полного заряда, например, требуется коло 15 минут.

Новая технология использования особых нано частиц, способных обеспечивать более быстрый поток ионов позволяют увеличить количество циклов заряда – разряда в 10 раз! Само собой, они имеют слабый саморазряд и отсутствует эффект памяти. Увы, но, широкому распространению мешает большой вес аккумуляторов и необходимость в специальной зарядке.

Как вывод, можно сказать одно. Мы скоро будем наблюдать повсеместное использование электромобилей и гаджетов, которые смогут работать очень большое время без подзарядки.

electrovelosiped.info

Перспективные технологии для аккумуляторов будущего (3 фото)

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 GPS

Литий-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.

Интересные материалы:

8 полезных изобретений детей (8 фото) Как выглядит самый быстрый автомобиль в мире (13 фото)

nlo-mir.ru

Перспективные аккумуляторы для электромобилей | Полезная информация

АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙНастоящий ученый должен быть сумасшедшим - только так можно сделать череду открытий, способных вызвать революцию в производстве электромобилей! Судите сами: электромобили до сих пор не получили распространения, потому что человечеству нужны на порядок более легкие, энергоемкие и дешевые накопители электроэнергии. Нужен прорыв.

И, похоже, именно он произошёл год назад в Америке, когда студент Калифорнийского университета Лос-Анджелеса Махер Эль-Кади из раствора обыкновенного графита получил уникальный суперконденсатор, способный заменить тяговые аккумуляторы. Он просто взял окись графита, нанес на обычный DVD-диск, прокрутил в DVD-драйве - и под действием лазера на поверхности диска образовалась пленка графена, то есть чистого углерода толщиной в один атом. И выяснилось, что если из таких графеновых пленок сделать конденсатор, то по плотности хранения электричества и по скорости зарядки он многократно превзойдет и нынешние суперконденсаторы, и аккумуляторные батареи! Эффект был открыт год назад, за это время американские ученые научились формировать графеновые электроды промышленным способом и теперь ищут бизнес-партнеров для того, чтобы наладить выпуск суперконденсаторов. Вернее, их можно назвать суперсуперконденсаторами! Или даже, не побоюсь этого слова, гиперконденсаторами! Потому что такая батарея сможет хранить не меньше электричества, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы, но, в отличие от них, заряжаться будет не часами, а за секунды! Представьте: проехали вы на электромобиле километров двести, заряд на нуле, но вам не нужно ставить машину к розетке на полдня, достаточно трех минут! Причем сырье для изготовления таких батарей - обычный углерод, то есть сажа. Представляете, какие перспективы открываются перед человечеством?

Советы автомобилистам

На данный момент одними из самых перспективных для применения в электротранспорте считаются литий-ионные аккумуляторы. Они постоянно совершенствуются, улучшаются их характеристики, и снижается стоимость производства. Сейчас электромобили становятся всё популярнее, к примеру, свободно можно купить Ниссан «Лиф» или электрокары других марок. Возможно, что литий-ионные аккумуляторы будут основным источником питания электрических авто уже совсем скоро.

История создания и характеристики

Новые типы АКБ: как решить главную проблемы электрокаров? | E-moveПервые документы об экспериментах над литиевыми аккумуляторами датируются 1911 годом, но серийное производство началось только в начале 70-х годов, и тогда батареи не могли перезаряжаться.

В 1980-х годах в серии также появлялись литиевые аккумуляторы, но они практически не применялись в быту и на производствах, так как была потенциальная опасность взрыва. Прорыв совершила компания Sony в 1991 году, начав использовать литий-ионные аккумуляторы, которые стали безопасными при использовании. Спустя 5-6 лет стало появляться всё больше разнообразных батарей, созданных по схожей схеме.

Официальный дилер Ниссан в Ростове на Дону не располагает информацией про вероятность внедрения литий-ионных аккумуляторов, поэтому неизвестно, будут ли они устанавливаться на электрокары. Но у них есть определённые преимущества, которые повышают шанс их использования в ближайшем будущем:

  • лучшая плотность энергии, потому габариты батареи невелики;
  • на элементе повышенное напряжение;
  • быстрая зарядка – до 90 процентов меньше чем за час;
  • циклов зарядки и разрядки может быть свыше тысячи;
  • саморазряд при неактивности практически не происходит;
  • утилизация вместе с прочими бытовыми отходами.

Но есть некоторые недостатки, которые немного тормозят процесс установки литий-ионных аккумуляторов на авто. Прежде всего, это возможность взрыва при повреждении или перезарядке. Кроме того, их стоимость ещё слишком высокая, поэтому ставить их нецелесообразно.

До недавнего времени автомобиль на электрической тяге вызывал у большинства пользователей улыбку, если не саркастический смех. Действительно, электромобили по своим характеристикам пока не могут сравниться с классическими моделями на бензиновом или дизельном ходу. Но прогресс не стоит на месте, и возможно, в скором будущем произойдёт массовый переход на экологические, бесшумные и экономичные двигатели на электрической тяге.

Главной силой приводящей в движение электромобиль является электродвигатель, который получает необходимую энергию от аккумулятора. Именно аккумуляторная батарея считается сердцем и, на данный момент, самым проблемным звеном в электромобиле. Это достаточно известный факт. Но мы, в этой статье, не будем стремиться отпугнуть потенциального покупателя от приобретения автомобиля на электрическом ходу, а постараемся досконально рассмотреть все недостатки и преимущества его основного источника энергии - аккумуляторной батареи.

Итак, аккумуляторная батарея электромобиля представляет собой химический источник тока , который служит для накопления, аккумулирования энергии и обеспечения ею различного электрического оборудования в автономном режиме. Энергия в батарее образуется за счет свойств обратимости внутренних химических процессов, что позволяет вырабатывать её многократно с помощью циклических действий: заряд-разряд.

Принцип действия любого аккумулятора основан на свойствах обратимости химической реакции. Конструктивно аккумулятор представляет собой сосуд наполненный электролитом, в который помещены два металлических электрода разного химического состава. В процессе взаимодействия электрода с электролитом в сосуде возникает разность потенциалов. Если к выводам электродов присоединить проводник, то по нему пойдёт ток. Со временем, в результате химических реакций, состав электролита и электродов изменяется и происходит процесс разрядки аккумуляторной батареи. Если на электроды подать напряжение от постороннего источника тока, то процессы в батарее потекут в обратном направлении, таким образом, восстанавливая первоначальный химический состав электролита и электродов. Этот процесс называется зарядкой аккумуляторной батареи.

С принципом работы и назначением аккумуляторной батареи мы познакомились, теперь немаловажно, классифицировать их основные типы, используемые в транспорте. Выявить недостатки и оценить достоинства аккумуляторов.

Аккумуляторные батареи выпускаются в следующих разновидностях:

• Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

• Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи

Научные сотрудники из Университета Кордобы с помощью специалистов компаний Grabat Energy и Graphenano изобрели абсолютно новый тип аккумуляторных батарей. Ученые разработали новые модели АКБ на основе недавно открытого вещества – графена, который обладает уникальными свойствами. Как сообщают ученые, данные батареи имеют продолжительный срок работы, а на подзарядку их хватит всего лишь восьми минут. На одном заряде аккумулятора автомобиль может преодолеть расстояние в тысячу километров.

Как работает аккумулятор с применением графена?

Открытие графена подтолкнуло ученых к созданию нового типа батарей, которые смогли бы обеспечить стабильную работу электромобилей и других переносных устройств на электрической тяге без подключения к сети. На основе этого универсального вещества учеными из США был создан так называемый суперконденсатор – самое перспективное изобретение на основе графена. Ученые из Калифорнийского университета создали накопитель, емкость которого в несколько сотен раз превосходит все известные доселе аналоги. Этот альтернативный источник электричества до сих пор применялся только на легкой технике, например смартфонах и планшетах, и не подходил для АКБ автомобилей или мототехники.

Новые, более мощные графеновые аккумуляторы

Новаторство испанских ученых из Университета Кордобы состоит в том, что они смогли реализовать план по созданию более мощных батарей с использованием графена, которые подходят для электромобилей и другой габаритной техники. По словам производителей, мощные АКБ с графеном позволят автомобилю, работающему на электричестве, проехать без «подзарядки» примерно 1 000 км. Радостной новостью для владельцев таких аккумуляторов является также и то, что для полной их зарядки достаточно будет всего восьми минут. За этот короткий срок графеновая батарея может полностью восстановить заряд энергии.

Преимущества новых АКБ

Разработчики новинки обещают потребителям невысокую стоимость батарей нового типа. По сравнению со стандартными батареями, которые применяются на всех автомобилях в данный момент, графитные аналоги будут стоить намного дешевле. Анонсированная цена ниже обычных батарей на 77%, что не может не привлекать покупателей. Кроме этого, новые графеновые аккумуляторы гораздо легче и долговечнее, чем их предшественники, почти в четыре раза.

Выпуск аккумуляторных батарей графенового типа планируется начать уже в самом скором времени. Производители обещают начать производство новых источников энергии для автомобилей уже в 2015 году.

Блоки питания для ноутбуков, планшетов, светодиодных светильников, усилителей, галогенных ламп 12 Вольт, жк телевизоров, игровых компьютеров, бегущих строк, бытовой техники, шуруповертов. Универсальные блоки питания с регулировкой напряжения и тока, блоки питания для светодиодных лент 12 вольт.

Источники: radiovesti.ru, actor64.ru, www.oprogresse.ru, xn--80auaeenoogb7k.com.ua, xn--80ajvrger.xn--p1ai

Это интересно

Кольская сверхглубокая скважина. Звуки из недр Земли

Кольская сверхглубокая скважина является самой глубокой в мире и достигает отметки 12262 м. Следующей по глубине должна была идти Саатлинская скважина ...

Призрак Линкольна

Призраки являются неотъемлемой частью действительности независимо от того верит ли кто в них или нет. Вопрос лишь в том, насколько часто ...

Морские девы

Легенды многих народов донесли до нашего времени рассказы о  таинственных существах, обитающих в океанах, морях и других водоемах. Это ­– морские ...

www.objectiv-x.ru

Перспективы литиевых аккумуляторов. Будущее аккумулирующих технологий.

Рост численности населения, загрязнение окружающей среды и сокращение объемов иссякаемых природных ресурсов обусловили необходимость создания инновационных решений в области чистых технологий, которые были бы рациональнее, безопаснее и эффективнее. Тем не менее, высокие затраты и технические ограничения в сфере хранения энергии препятствуют достижению паритета между поставщиками возобновляемых и традиционных источников энергии с точки зрения их масштабов применения и стоимости.Будущее чистых технологий может зависеть от технологических достижений в пока еще не получившей заслуженного признания сфере - сфере литиевых аккумуляторов. Маленькая литиевая батарейка, которую часто используют в игрушках, ноутбуках, мобильных устройствах и механических инструментах, может в ближайшем будущем стать основным источником питания для автомобилей и крупных электросетей. Обыкновенная батарейка может заставить практически бесконечно двигаться не только кролика из рекламы Energizer, но и все человечество, ведь все мы хотим жить на чистой планете, не принося вреда окружающей среде.Так же стремительно, как ветер меняет свое направление, разработки в сфере аккумуляторов кардинальным образом меняют процессы конструирования продуктов в динамично развивающемся секторе чистых технологий. Инновационные компании нуждаются в производственных инструментах, таких как PLM, которые позволят им наиболее эффективно использовать происходящие изменения и оперативно перестраивать направления производства, чтобы сохранить свою конкурентоспособность.

Обыкновенная батарейка: ключ к устойчивому развитию

Прежде чем мы приоткроем завесу, скрывающую будущее хранения энергии, давайте обратимся к истории аккумуляторов, в частности, литиевых, которая берет свое начало от багдадских батареек, упоминаемых уже в 2500 году до нашей эры.Ионно-литиевые аккумуляторы были впервые предложены в 70-х годах прошлого века и получили коммерческое распространение в 90-х. С тех пор рынок ионно-литиевых аккумуляторов вырос до 11 миллиардов долларов США (на 2010 год), и ожидается, что к 2020 году он будет составлять 43 миллиарда. По прогнозам аналитического агентства Global Industry Analysts (GIA), объем мирового рынка всех типов бытовых аккумуляторов может достигнуть 55, 4 миллиарда долларов США уже в 2017 году.Будущее литиевых аккумуляторовЛитиевые аккумуляторы представляют собой «вторичные аккумуляторы», то есть предполагают возможность перезарядки, в то время как «первичные аккумуляторы» дозаряжены быть не могут. Вторичные аккумуляторы составляют лишь 10% от всего объема батареек, но образуют 60% глобального рынка аккумуляторов по стоимости. К вторичным относятся свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, натрий-серные и проточные батарейки.По данным Всемирного отчета об аккумуляторах за 2012 год, общая мировая потребность в первичных и вторичных аккумуляторах возрастет на 8,5 % и составит 144 миллиарда долларов США к 2016 году. Ожидается, что китайский рынок аккумуляторов сохранит свои лидирующие позиции и, кроме того, будет развиваться самыми быстрыми темпами благодаря наличию огромного сектора производства электроники, а также расширению выпуска и использования автомобилей. С ростом государственной производственной базы и личных доходов продажи аккумуляторов в Индии также возрастут, хотя несколько более низкими темпами, нежели в Китае.В отчете содержатся прогнозы о том, что продажи на рынках потребительских товаров в 2016 году будут расти рекордными темпами. Рост доходов в развивающихся странах спровоцирует расширение использования основных устройств, работающих на аккумуляторах, а возрастающее использование портативных электронных устройств, в свою очередь, подстегнет спрос на аккумуляторы на мировом рынке потребительских товаров. В отчете отмечается, что ожидаемые темпы роста спроса на вторичные аккумуляторы будут выше, чем объемы продаж первичных аккумуляторов.Популярность портативных электронных устройств стремительно возрасла, что привело к увеличению доли поставщиков вторичных аккумуляторов - в особенности, литиевых - на рынке. По данным последнего отчета, подготовленного порталом Marketresearch.com, к 2022 году ожидается снижение стоимости ионно-литиевых аккумуляторов на 45%. Ионно-литиевые аккумуляторы могут уступить свою долю рынка более дешевым солевым батарейкам в более крупных проектах, но останутся основным источником питания для проектов, ограниченных в пространстве, благодаря своей высокой энергоплотности.Ожидается, что объем рынка литиевых аккумуляторов будет продолжать расти приблизительно на 10 процентов в год. Высокий спрос на электронику также спровоцирует определенный спрос на никель-металлогидридные аккумуляторы (которые продаются в магазинах в традиционных форматах AAA и AA и используются в качестве небольших аккумуляторных батареек).

Рост спроса на аккумуляторные батарейки

Производство гибридных транспортных средств и электромобилей, а также рост производства и использования традиционных авто сыграет на руку поставщикам автомобильных аккумуляторов. Согласно прогнозам, приведенным в отчете независимой исследовательской компании Lux Research, рынок аккумуляторов для электромобилей увеличится с 7,7 миллиарда долларов за 2010 год до 14,5 миллиарда уже в 2015 году. В электротранспортном секторе используются четыре типа перезаряжаемых аккумуляторов:Свинцово-кислотные - традиционно в большинстве электромобилей используются свинцово-кислотные аккумуляторы благодаря их наиболее проверенным технологиям, широкой доступности и низкой стоимости.Водяные на основе никеля - никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы являются основными типами водяных (с использование жидкого электролита) аккумуляторов на основе никеля. Основными проблемами никель-кадмиевых аккумуляторов являются стоимость и токсичность кадмия (ЕС установил запреты на большинство случаев их использования).Ионно-литиевые - самый популярный и наиболее распространенный тип аккумуляторов для портативной потребительской электроники, характеризующийся долговечностью, высоким удельным потреблением энергии, сравнительно небольшим весом и достаточно быстрой заряжаемостью/ энергоотдачей.Литий-металлические и воздушно-металлические - в настоящий момент находятся на стадии разработки, предполагают десятикратное увеличение энергоемкости. Еще не был осуществлен их полномасштабный запуск в транспортном секторе, поскольку технология пока находится в стадии исследования и разработки, однако она уже продемонстрировала определенные успехи при эксплуатации и потенциал энергоплотности в определенных сферах. Будущее литиевых аккумуляторовК интересному выводу пришли специалисты аналитической компании Lux Research в своем последнем отчете «Альтернативные способы хранения энергии», согласно которому существенную роль в скачке спроса на эти аккумуляторы в течении следующих пяти лет сыграют не автомобили, а электровелосипеды и скутеры. Прогнозируемый объем рынка электровелосипедов и скутеров составит 10,9 миллиарда долларов в 2015 году в сравнении с 6,4 миллиарда за 2010 год. В связи с этим регулирующие органы, автопроизводители и СМИ устремили свои взгляды на технологии аккумуляторов для гибридных автомобилей и электромобилей.

Аккумуляторы не для электросетей... пока

Валовые вложения в основные капиталы, промышленное производство в глобальных масштабах и меры по развитию промышленного производства в развивающихся странах будут стимулировать продажи аккумуляторов для промышленного использования и сетевого накопления энергии.В своем последнем отчете специалисты портала MarketResearch.com утверждают, что главной опцией для использования в сеточных батареях являются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые генерируют более 55 процентов доходов от всех сеточных батарей в настоящее время. К 2018 году их доля сократится до приблизительно 30 процентов, поскольку произойдет коммерциализация новых технологий в сфере сеточных батарей. Свинцово-кислотные аккумуляторы же будут преобразованы при помощи углеродных электродов, что по прогнозам приведет к четырехкратному увеличению их производительности. Кроме того, за рынок будут бороться также ультрааккумуляторы, сочетающие в себе свинцовые и углеродные электроды. В 2018 году доходы с продаж свинцово-углеродных аккумуляторов/ ультрааккумуляторов составять около 300 миллионов долларов.Будущее литиевых аккумуляторов

Большое будущее аккумуляторов

Ионно-литиевые аккумуляторы будут доминировать на автомобильном рынке и рынке потребительских товаров в течение долгого времени благодаря своей высокой производительности и энергоплотности, продолжительному циклу и длительному сроку службы, а также безопасности эксплуатации. Литий-металлические системы представляют потенциал увеличения энергоплотности в будущем. Однако внутренние проблемы, связанные с реверсивностью, циклируемостью и безопасностью литий-металлических аккумуляторов могут препятствовать жизнеспособности таких систем. Не прекращаются исследования, направленные на повышение производительности и сокращение размеров ионно-литиевых аккумуляторов. В августе 2012 года ученые из Корейского института перспективных научных исследований и технологий (KAIST) разработали твердую тонкопленочную ионно-литиевую батарейку, которая, по их утверждению, обладает наибольшей энергоплотностью среди всех гибких батареек. Еще одной тенденцией, которая приведет к прорыву в отрасли источников питания, является разработка ультратонких гибких литий-полимерных аккумуляторов, которые могут быть использованы в электронных книгах и планшетных компьютерах будущего - толщиной с бумажный лист и с возможностью сложения. Процветание экосистемы чистых технологий, необходимой для развития сферы аккумуляторов, требует сотрудничества между проедпринимателями в сфере передовых технологий источников питания, исследовательских институтов и государственных органов, которые должны утвердить политику и методы поощрения дальшейших исследований в области новых технологий хранения энергии. Несмотря на свой небольшой размер, аккумуляторы, в частности, ионно-литиевые, могут сыграть огромную роль в раскрытии потенциала возобновляемых источников энергии в будущем.

PLM позволяет оперативно реагировать на изменения и менять направления производства

Новые достижения в области технологий хранения энергии возвещают о наступлении эры возрождения и неограниченных возможностей возобновляемых источников энергии. Совсем недавно компания Solid Power продемонстрировала доказательство того, что она вплотную приблизилась к созданию литий-металлического аккумулятора, который позволит удвоить ассортимент электромобилей, представленных на рынке. Этот прорыв может в корне изменить всю отрасль электрического автомобилестроения. Инструменты рационального управления жизненным циклом изделий (PLM) позволят производителям комплексного оборудования внедрить революционные инновации, в частности, в сфере аккумуляторов, в составные части своих продуктов и в два счета изменить направления производства.Компания Arena Solutions, ведущий разработчик облачных решений в сфере управления жизненным циклом изделий (PLM), уже помогла множеству ведущих компаний, работающих в сфере чистых технологий, среди которых SunLink, EnerVault и SunPower, рационализировать процессы разработки продуктов, чтобы сократить время на их маркетинг, оперативно изменять направления производства с появлением новых технологий и максимально увеличить потенциал выпуска продукции.Изменения всегда происходят в мгновение ока, и производители должны оперативно на них реагировать. Спросите себя: когда в сфере чистых технологий откроется новая возможность, будет ли у Вас готовое PLM-решение, благодаря которому Ваша компания сможет перенять новые технологии и оперативно изменить продукцию в соответствии с потребностями рынка?Специалисты бюро переводов "Золотая лань" оказали неоценимую помощь при переводе данного материала. Если вам нужен качественный технический перевод, бюро переводов "Золотая Лань" - именно то что вам нужно!

alternativenergy.ru

Мечта об энергии: какими могут быть аккумуляторы будущего

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":[http://portal.luxresearchinc.com/…report/22618], 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.

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.

www.nanonewsnet.ru


Смотрите также