Углеродно-органические аккумуляторы заряжаются быстрее литий-ионных аккумуляторов. Углеродные аккумуляторы


Углеродно-органические аккумуляторы заряжаются в 20 раз быстрее

Опытный образец углеродного аккумулятора Ryden

В настоящее время литий-ионные аккумуляторные батареи используются практически повсеместно, они двигают электрические и гибридные автомобили, снабжают энергией смартфоны, портативные компьютеры и другую мобильную электронику. Несмотря на массу положительных сторон, эти аккумуляторные батареи имеют массу недостатков, к которым можно отнести длительное время зарядки, ограниченное количество циклов заряда-разрядки, высокую стоимость и огнеопасность. Но дальнейшее развитие электроники, электрического транспорта и летательных аппаратов, энергетики и других технологий уже давно требует разработки перезаряжаемых источников энергии нового поколения.

Значительных успехов в этом направлении удалось добиться японским исследователям из компании Power Japan Plus. Разработанная ими аккумуляторная батарея содержит электроды, катод и анод, изготовленные из углерода, а объем этой батареи заполнен синтетическим полимерным электролитом. Новые технологии позволили сделать «углеродную» аккумуляторную батарею более безопасной, более долгоживущей, имеющей значительно меньшее время зарядки и стоимость, нежели традиционные литий-ионные аккумуляторы.

Испытания опытных образцов углеродных аккумуляторов, которые получили название Ryden, показали, что аккумуляторы способны выдержать без потери емкости порядка 3 тысяч циклов заряда-разрядки, при этом скорость полного заряда в 20 раз выше аналогичного показателя литий-ионных аккумуляторов. Кроме этого углеродная аккумуляторная батарея менее требовательна к условиям эксплуатации, что позволит использовать ее в авиационной, автотранспортной, в космической и в других областях, где она может подвергаться воздействию экстремальных условий окружающей среды.

Напомним нашим читателям, что в любой аккумуляторной батарее электрический ток возникает за счет движения ионов электролита между анодом и катодом батареи. В литий-ионных аккумуляторах используется электролит на базе окиси лития, которая сама по себе является горючим материалом. Таким образом, в случае утечки электролита, литий-ионная аккумуляторная батарея может стать источником возгорания. В аккумуляторах Ryden используется синтетический полимерный электролит, который не горит в обычных условиях. Поэтому такие аккумуляторы намного более безопасны при их длительной эксплуатации. Углеродные электроды аккумуляторов Ryden изготавливаются из хлопка, подвергнутого специальной технологической обработке, которая, со слов представителей компании Power Japan Plus, придает получающемуся углероду «целый ряд уникальных свойств».

«Наша компания провела огромную работу в области материаловедения и аккумулирования энергии. Мы разработали особый класс углеродных материалов, который сочетает в себе высокую эффективность, надежность и высокие экономические показатели» – рассказывает Доу Кани (Dou Kani), президент компании Power Japan Plus, – «Линейка наших продуктов, которая будет выпускаться под маркой Ryden, является революцией в области аккумулирования энергии. И мы надеемся, что она может стать тем, что значительно ускорит вывод на широкий рынок множества экологически чистых технологий, таких, как электрические автомобили».

Согласно информации с веб-сайта компании Power Japan Plus, набор аккумуляторных батарей Ryden может обеспечить перемещение среднестатистического электрического автомобиля на расстояние до 500 километров на одном заряде. Кроме этого, способность быстрого поглощения энергии позволит более эффективно использовать технологии возврата энергии, такие, как рекуперативное торможение.

В планах компании Power Japan Plus стоит начало выпуска некоторых типов аккумуляторов Ryden уже к концу этого года. Производство будет налажено на заводе компании в Окинаве, а первые аккумуляторы Ryden будут предназначены для работы в составе медицинской и космической техники. Позже компания планирует начать реализацию лицензий, благодаря чему другие производители смогут наладить выпуск подобных аккумуляторных батарей для электронной техники, для электрических автомобилей и для прочих областей, где требуются аккумуляторы нового поколения.

www.facte.eu

Созданы новые углеродно-органические аккумуляторы, способные заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных аккумуляторных батарей

Аккумуляторные батареи В настоящее время литий-ионные аккумуляторные батареи используются практически повсеместно, они двигают электрические и гибридные автомобили, снабжают энергией смартфоны, портативные компьютеры и другую мобильную электронику. Несмотря на массу положительных сторон, эти аккумуляторные батареи имеют массу недостатков, к которым можно отнести длительное время зарядки, ограниченное количество циклов заряда-разрядки, высокую стоимость и огнеопасность. Но дальнейшее развитие электроники, электрического транспорта и летательных аппаратов, энергетики и других технологий уже давно требует разработки перезаряжаемых источников энергии нового поколения. Значительных успехов в этом направлении удалось добиться японским исследователям из компании Power Japan Plus. Разработанная ими аккумуляторная батарея содержит электроды, катод и анод, изготовленные из углерода, а объем этой батареи заполнен синтетическим полимерным электролитом. Новые технологии позволили сделать "углеродную" аккумуляторную батарею более безопасной, более долгоживущей, имеющей значительно меньшее время зарядки и стоимость, нежели традиционные литий-ионные аккумуляторы.

Испытания опытных образцов углеродных аккумуляторов, которые получили название Ryden, показали, что аккумуляторы способны выдержать без потери емкости порядка 3 тысяч циклов заряда-разрядки, при этом скорость полного заряда в 20 раз выше аналогичного показателя литий-ионных аккумуляторов. Кроме этого углеродная аккумуляторная батарея менее требовательна к условиям эксплуатации, что позволит использовать ее в авиационной, автотранспортной, в космической и в других областях, где она может подвергаться воздействию экстремальных условий окружающей среды.

Синтетический органический электролит

Напомним нашим читателям, что в любой аккумуляторной батарее электрический ток возникает за счет движения ионов электролита между анодом и катодом батареи. В литий-ионных аккумуляторах используется электролит на базе окиси лития, которая сама по себе является горючим материалом. Таким образом, в случае утечки электролита, литий-ионная аккумуляторная батарея может стать источником возгорания. В аккумуляторах Ryden используется синтетический полимерный электролит, который не горит в обычных условиях. Поэтому такие аккумуляторы намного более безопасны при их длительной эксплуатации. Углеродные электроды аккумуляторов Ryden изготавливаются из хлопка, подвергнутого специальной технологической обработке, которая, со слов представителей компании Power Japan Plus, придает получающемуся углероду "целый ряд уникальных свойств".

"Наша компания провела огромную работу в области материаловедения и аккумулирования энергии. Мы разработали особый класс углеродных материалов, который сочетает в себе высокую эффективность, надежность и высокие экономические показатели" - рассказывает Доу Кани (Dou Kani), президент компании Power Japan Plus, - "Линейка наших продуктов, которая будет выпускаться под маркой Ryden, является революцией в области аккумулирования энергии. И мы надеемся, что она может стать тем, что значительно ускорит вывод на широкий рынок множества экологически чистых технологий, таких, как электрические автомобили".

Согласно информации с веб-сайта компании Power Japan Plus, набор аккумуляторных батарей Ryden может обеспечить перемещение среднестатистического электрического автомобиля на расстояние до 500 километров на одном заряде. Кроме этого, способность быстрого поглощения энергии позволит более эффективно использовать технологии возврата энергии, такие, как рекуперативное торможение.

В планах компании Power Japan Plus стоит начало выпуска некоторых типов аккумуляторов Ryden уже к концу этого года. Производство будет налажено на заводе компании в Окинаве, а первые аккумуляторы Ryden будут предназначены для работы в составе медицинской и космической техники. Позже компания планирует начать реализацию лицензий, благодаря чему другие производители смогут наладить выпуск подобных аккумуляторных батарей для электронной техники, для электрических автомобилей и для прочих областей, где требуются аккумуляторы нового поколения.

tehnowar.ru

Углеродные аккумуляторы приходят на смену литиевым

Смотрите также

Углеродные аккумуляторы приходят на смену литиевымНачиная с 2014 года, американо-японская компания Power Japan Plus, занимающаяся поиском и разработкой материалов для высокоэффективных батарей, запустила производство аккумуляторов нового типа. В разработке принимали активное участие ученые из Университета Кюсю. Эти аккумуляторы в своей основе имеют органический электролит, который работает, однако, с катодом и анодом, изготовленными из композита на основе углерода, а углерод для батарей получают из хлопка, кофейных зерен или бамбука.

Новые батареи назвали Ryden (Ryden dual carbon battery). В отличие от популярных сегодня литий-ионных батарей, батареи Ryden на основе «двойного углерода» оказываются наиболее эффективными и полностью экологически чистыми. Здесь не используется редкие и тяжелые металлы, таким образом батареи получаются не дорогостоящими и целиком поддаются вторичной переработке. На данный момент это лучший способ хранения электрической энергии.

Если оглянуться на литий-ионные аккумуляторы, созданные изначально в 1991 году компанией Sony Energitech, то они, конечно, обладают значительными преимуществами:

  • быстро перезаряжаются и медленно разряжаются;

  • имеют низкий саморазряд в районе 10%;

  • способны питать самый широкий спектр приборов, начиная с мобильных телефонов, заканчивая сложными космическими аппаратами.

Тем не менее, литий, несмотря на его легкий вес и хорошую удельную плотность энергии, отличается и недостатками: угольный след, токсичность, высокая стоимость, дефицитные компоненты. Эти недостатки лития и побудили исследователей из Японии искать альтернативы менее токсичные, с меньшим риском для окружающей среды, с возможностью легкой утилизации. 

Новые батареи назвали Ryden

Удельная емкость батарей на базе двойного углерода сравнима с литий-ионными аккумуляторами, однако в плане безопасности новые батареи значительно превосходят литиевые. Кроме того новые аккумуляторы гораздо дольше сохраняют рабочий ресурс и быстрее перезаряжаются, что и делает их отличной альтернативой сегодня.

Taisan Team летом 2014 протестировали новые батареи на электрическом гоночном автомобиле, и результаты превзошли все ожидания. Легкий аккумулятор Ryden не перегревался во время гонки, и водителю вообще не нужно было останавливаться или сбрасывать скорость при достижении электролитом аккумулятора опасной температуры. То есть аккумулятору на основе «двойного углерода» громоздкая система охлаждения не требуется в принципе.

аккумулятор Ryden

Все тонкости касательно устройства батарей производитель, конечно, не раскрывает, однако заявляет об уникальном химическом процессе, который протекает межу анодом и катодом, изготовленными из самого обычного углерода. При этом батарея химически полностью устойчива и не опасна, как литий-ионная, ни для окружающей среды, ни для человека.

Тесты между тем показали скорость зарядки в 20 раз превышающую скорость зарядки литий-ионных батарей аналогичной емкости! Номинальное напряжение одной ячейки составляет 4 вольта. Рабочий ресурс на 50% выше лучших литиевых аналогов — 3000 против прежних максимально достижимых 2000 циклов зарядки — разрядки.

Достоинства углеродных аккумуляторов по сравнению с литиевыми

Производство батарей на базе «двойного углерода» не связано с изменением уже работающих линий для литий-ионных батарей, причем за счет отсутствия редких металлов в списке компонентов, исключается зависимость от рыночных цен на сырье. Затраты на утилизацию также перестали быть проблемой, а само производство почти полностью безотходное.

Такой колоссальный технологический скачок стал итогом компромисса, к которому пришли производители и разработчики, они достигли желаемого баланса, — сообщил в пресс-релизе технический директор компании Power Japan Plus, Канаме Такея.

Полномасштабное производство аккумуляторов Ryden типоразмера 18650 началось в префектуре Окинава. И теперь безопасные и эффективные аккумуляторы доступны для разнообразных применений, начиная от медицинской техники, заканчивая электрическим транспортом, для которого Power Japan Plus может поставлять комплектующие для создания батарей большой емкости, чтобы производители электротранспорта могли получить требуемую емкость при самостоятельной сборке.

Производство аккумуляторов

Поиски экологически чистой замены литию вели с 2014 года и химики из Университета штата Орегон. В поисках эффективного био-материала ими был обнаружен химический компонент, способный произвести революцию в индустрии электрических батарей. Cradle to Cradle — так называется концепция, предполагающая 100% повторное использование материалов, получаемых в процессе человеческой жизнедеятельности: продукт воссоздается либо из исходного материала получается новый.

Новшество заключается в утилизации вредных отходов путем их повторного использования в производстве аккумуляторов. Группа исследователей обнаружила возможность создания дешевых надежных батарей из полициклических ароматических углеводородов.

Соединения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) являются загрязнителями, и их можно найти всюду. Переработка данных соединений позволит создавать устойчивые батареи, при этом очищать окружающую среду. Являющиеся продуктами сжигания углеводородов, ПАУ распространяются по воде, почве, воздуху, и входят в список наиболее вредных для окружающей среды веществ.

Аккумулятор, который разработали в Университете штата Оригон, будет содержать углеродный анод и катод на основе ПАУ. Особый интерес представляет вещество коронин. Коронин в твердой кристаллической форме безопасен. По результатам тестирования выяснилось, что емкость ионов получается достаточно высокой, структура — химически стабильной, и в перспективе можно будет получить батареи отлично подходящие для сохранения энергии солнца и ветра с целью ее дальнейшего использования.

Углерод в природе

Имеет место очень большое преимущество коронина перед тем же углеродом: углерод несовместим с неводным электролитом, в то время как для коронина это вообще не является проблемой! То есть батареи получатся необслуживаемыми и при этом надежными и устойчивыми. Кстати, исследования относительно формирования звезд показали, что ПАУ присутствует в туманности «Статуя Свободы», то есть Солнце, вероятно, также возникло из среды с содержанием ПАУ — «энергия приходящая от звезд будет использована в батареях, и станет возвращаться к нам снова и снова» — отметила Ханен Хаттаб — доктор философии из Университета Квебека в Монреале.

Со всей очевидностью представляется, что будущее все же за углеродными аккумуляторами. Они будут дешевыми в производстве, не токсичными, безвредными для окружающей среды и для человека. Углерод широко доступен. Обычный уголь содержит 80% углерода. Для любого живого или мертвого организма характерно содержание соединений углерода.

Жизнь невозможна без углерода. Растения получают соединения углерода из воздуха, используют углерод для формирования корневой системы. Животные получают углерод с пищей. И те и другие выделяют его в составе углекислого газа. Так или иначе, углерод не в дефиците, и это вселяет в нас определенную надежду.

electricisrael.com

Физики придумали «вечную» батарейку на основе алмаза

University of Bristol

Физики из Университета Бристоля предложили концепцию «вечной» батареи на основе алмаза из радиоактивного изотопа — углерода-14. Период полураспада элемента составляет 5700 лет — это означает, что батарея потеряет половину своей мощности лишь через тысячи лет. Устройство также помогает частично утилизировать ядерные отходы — источником углерода-14 являются замедлители, графитовые стержни из ядерных реакторов. Концепция батареи была представлена на ежегодных лекциях в институте Кабот, о чем сообщает пресс-релиз университета.

Традиционные радиоактивные батареи, или РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), работают благодаря теплу, выделяемому в ходе распада радиоактивных элементов. Оно создает разницу температур в разных точках батареи, которую с помощью термоэлектрического эффекта преобразуют в электричество. Несмотря на небольшую эффективность таких установок — КПД составляет около четырех-пяти процентов — они способны функционировать на протяжении долгого времени. Так, благодаря РИТЭГу на основе плутония-238 «Вояджер-2» до сих пор способен передавать на Землю радиосигналы, хотя аппарат находится в полете уже почти 40 лет и его расстояние от Солнца превышает 111 астрономических единиц.

Традиционно в устройствах используются плутоний-238, стронций-90, а также изотопы кюрия, полония и другие радиоактивные частицы. Их основными источниками являются ядерные реакторы — эти изотопы являются частью радиоактивных отходов. 

Существует и другой тип электрогенераторов, работающих на энергии радиоактивных распадов — бета-вольтаические генераторы. Они не требуют промежуточного превращения ионизирующего излучения в тепло. Вместо этого в устройствах возникают пары электрон-дырка при взаимодействии с электронами, выброшенными ядрами при бета-распаде. Эти пары напрямую и конвертируются в электрический ток. Как правило, для бета-вольтаических элементов используется тритий. Авторы новой идеи предложили использовать вместо него другие компоненты отходов, традиционно подлежащие утилизации, — графитовые стержни. 

При работе ядерного реактора графитовые стержни опускают в активную зону для того, чтобы замедлить скорость ядерной реакции. Они способны эффективно поглощать нейтроны, выбрасываемые ядрами урана в ходе деления. После выдержки в реакторе стержни оказываются насыщены изотопом углерода-14, распадающимся путем бета-распада: испуская электрон и превращаясь в азот-14. 

Ученые обратили внимание на то, что как правило углерод-14 концентрируется на внешних областях стержней. Это позволяет эффективно собирать обогащенный материал простым обжигом стержней. Углерод можно затем использовать для роста алмазов методами осаждения из газовой фазы. Выбор алмазов связан с тем, что они способны эффективно преобразовывать ионизирующее излучение в заряд. Благодаря этому их даже предлагают использовать в качестве высокопроизводительных детекторов радиации. 

Для того чтобы обезопасить бета-вольтаический элемент, физики предлагают покрыть алмаз, обогащенный углеродом-14, обычным, нерадиоактивным алмазом. Это позволит сдержать большую часть излучения. Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет — хотя изотоп не обладает высокой активностью, элемент на его основе сможет проработать тысячи лет.

Ранее аналогичные системы были предложены на основе в тысячу раз более активного изотопа: никеля-63. Его период полураспада равен 100 годам. Удельная мощность элемента, разработанного в марте этого года в МИСиС, составляла порядка 10-100 нановатт на кубический сантиметр. О своих планах по созданию электрогенератора на основе углерода-14 заявляли физики из Самарского университета, отмечая, что мощности элемента может хватить для питания маломощных датчиков. Вместо алмаза ученые предлагали использовать карбид кремния. 

Помимо возможных применений в электрогенерации, радиоактивный распад углерода-14 активно используется для датирования различных объектов биологического происхождения. Изотоп генерируется с примерно одинаковой скоростью в верхних слоях атмосферы Земли — при захвате азотом «космических» нейтронов. Пока организмы живут, они накапливают в себе этот изотоп, однако после смерти последний прекращает поступать в ткани. Распад постепенно уменьшает его содержание по сравнению с стабильным углеродом-12, что и является маркером возраста объекта. 

Владимир Королёв

nplus1.ru


Смотрите также