Чем можно заменить литий

Когда на смену литий-ионным придут графеновые аккумуляторы

В современной технике прогрессирует все, кроме аккумуляторов.У смартфонов улучшаются процессоры, экраны, камеры, растет память, электрокары обрастают продвинутой электроникой и учатся ездить на автопилоте, но все эти девайсы по-прежнему черпают энергию из литий-ионных батарей. Где же обещанные графеновые аккумуляторы? Давайте разбираться.

Литий-ионные аккумуляторы уже пару десятков лет обеспечивают энергией наши девайсы и готовых решений, которые могли бы взять и полноценно заменить их, на горизонте пока не предвидится. Неужели это венец творения и у них нет недостатков?

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

Недолговечность. Литий-ионные батареи теряют емкость примерно на 10-15% в год, а для смартфонов 1000 циклов разрядки/зарядки уже можно считать пределом.

Чувствительность к температуре. Литиевые аккумуляторы плохо переносят перепады температур — работа при слишком низких или слишком высоких температурах приводит к деградации батареи.

Чувствительность к мощной зарядке. Слишком быстрая зарядка ведет к излишнему выделению тепла и может приводить к замыканию и выходу аккумулятора из строя.

Потенциальная опасность. Литий — редкоземельный металл, который стоит недешево, а его добыча и производство аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде.

По мнению ученых, решить эти проблемы, хотя бы частично — может графен. А некоторые уверяют, что потенциально он даже способен совершить настоящую революцию в устройствах для хранения энергии. Так ли это?

Что такое графен

Графен — это углерод, такой же, как графит или алмаз. Химическая формула у них идентична, но способ соединения атомов углерода друг с другом определяет свойства материала.

Атомы в графене расположены в пространстве особым образом — это лист толщиной всего в один атом, причем атомы углерода образуют в нем шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Такая структура наделяет графен неординарными свойствами. Это отличный проводник, он прочнее стали, но при этом гибкий и эластичный.

Чем отличаются графеновые аккумуляторы от литий-ионных

Хотя литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию схожим образом, в конструктивных аспектах и областях применения они отличаются друг от друга — с точки зрения срока службы, безопасности и скорости передачи энергии. Главное преимущество графеновых батарей — отличная способность рассеивать тепло.

С увеличением тепловой энергии растет сопротивление проводников, что приводит к деградации аккумулятора. Поэтому ученые начали добавлять графен в литий-ионные аккумуляторы для улучшения характеристик.

Такие батареи известны как гибридные — они имеют большую зарядную емкость, меньшую массу, увеличенный срок службы и уменьшенное время зарядки по сравнению с «традиционными» аккумуляторами.

Почему не делают «чисто графеновые» батареи

Коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах до сих пор не существует. Причиной тому является высокая стоимость и сложность получения графена. Но это еще не все. Главное, что графен не очень подходит для долгосрочного хранения энергии — и вот почему.

В литиевых аккумуляторах заряд накапливается благодаря тому, что ионы лития проникают внутрь графитового анода. Если вместо графита для изготовления анода применить графен, ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности.

Саморазряд батареи в этом случае будет гораздо более заметным. Зато концепция, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов.

Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий взять и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Добавлением графена в электроды можно повысить их проводимость, хотя по сути батарея останется литиевой.

Что ждет литий-ионные аккумуляторы

На самом деле литиевые батареи тоже не стоят на месте, а развиваются, просто скорее эволюционно, чем революционно. Технология литий-ионных аккумуляторов еще не достигла своего предела и, вероятно, именно графен поможет еще больше раскрыть их потенциал.

По мнению ученых, он может повысить энергоемкость аккумуляторов и даже скорость зарядки. Экспериментируют с гибридными литий-ионными батареями с добавлением графена такие гиганты, как Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Nanotech и другие компании.

Перспективы

Аккумуляторы прогрессируют — это факт. Но графен едва ли способен устроить настоящую революцию на рынке батарей — скорее он поможет улучшить характеристики «традиционных» элементов питания. По крайней мере, в обозримом будущем.

Потому что несмотря на все неоспоримые достоинства графена, в настоящее время он все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения коммерциализации — прежде всего из-за чрезвычайно высокой стоимости производства. Возможно, когда-нибудь графен и станет следующей ступенью в индустрии аккумуляторов, но пока до этого далеко.

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?

Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.

Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.

Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.

/> Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

Какие аккумуляторы будут после литиевых

А знаете ли вы, что смартфоны и другие мобильные устройства оснащаются литий-ионными аккумуляторами, которые вышли на рынок аж в 1991 году, то есть почти 25 лет назад? И пока литий даже не планируют менять на другие типы АКБ. Самый известный предприниматель современности Илон Маск два года назад вложил пять миллиардов долларов в строительство своей «Гигафабрики» — огромного завода по производству литий-ионных аккумуляторов для электромобилей Tesla. Но что если ставка американского IT-бизнесмена оказалась ошибочной? Мы решили рассмотреть, какие технологии могут преобразить мир электроники в будущем.

Атомные батареи

Атомные батареи пока очень дороги. В ближайшее время они не смогут составить конкуренцию привычным нам литий-ионным аккумуляторам, но не упомянуть про них нельзя, ведь источники, непрерывно вырабатывающие энергию на протяжении 50 лет — это намного интереснее, чем перезаряжаемые аккумуляторы.

Принцип их работы, в некотором смысле, схож с работой солнечных батарей, только вместо солнца источником энергии в них являются изотопы с бета-излучением, которое затем поглощается полупроводниковыми элементами.

В отличие от гамма-излучения, бета излучение практически не опасно. Оно представляет собой поток заряженных частиц и легко экранируется тонкими слоями специальных материалов. Также оно активно поглощается воздушной средой.

На сегодняшний день разработки подобных батарей ведутся во многих институтах. В России о совместной работе в этом направлении объявляли НИТУ «МИСиС», МФТИ и НПО «Луч». А ранее аналогичный проект был запущен Томским Политехническим Университетом.

В обоих проектах основным веществом является никель-63, получаемый облучением нейтронами изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах. Первый прототип батареи должен быть готов в 2017 году.

Однако подобные бета-вольтаические источники питания являются маломощными и крайне дорогостоящими. В случае с российской разработкой предполагаемая стоимость миниатюрного источника питания может составить до 4,5 миллионов рублей.

У никеля-63 также есть конкуренты. Например, в Университете Миссури давно экспериментируют со стронцием-90, а в свободной продаже можно найти миниатюрные бета-вольтаические батареи на основе трития. При цене в районе тысячи долларов они способны питать различные кардиостимуляторы, датчики или компенсировать саморазряд литий-ионных аккумуляторов.

Натриевые АКБ

По мнению многих исследователей именно этот щелочной метал должен заменить дорогой и редкий литий, который, к тому же, является химически активным и пожароопасным. Принцип работы натриевых аккумуляторов аналогичен литиевым — для переноса заряда в них используются ионы металла.

Долгие годы ученые различных лабораторий и институтов боролись с недостатками натриевой технологии, такими как медленная зарядка и низкие токи. Некоторым из них удалось решить проблему.

Например, предсерийные образцы аккумуляторов компании BroadBit заряжаются за пять минут и имеют в полтора-два раза большую емкость. Получив несколько наград в Европе, таких как Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award и ряд других, компания перешла к сертификации, постройке фабрики и получению патентов.

Графен в аккумуляторах

Графен — плоская кристаллическая решетка из атомов углерода толщиной в один атом. Благодаря огромной площади поверхности в компактном объеме, способной накапливать заряд, графен является идеальным решением для создания компактных суперконденсаторов.

Уже сейчас существуют экспериментальные модели емкостью до 10 000 Фарад! Такой суперконденсатор создан компанией Sunvault Energy совместно с Edison Power. Разработчики утверждают, что в перспективе представят модель, энергии которой хватит для электроснабжения целого дома.

Плюсов у таких суперконденсаторов множество: возможность практически мгновенного заряда, экологичность, безопасность, компактность, а также дешевизна. Благодаря новой технологии получения графена, сродни печати на 3D-принтере, Sunvault обещает стоимость батарей чуть ли не в десять раз меньшую, чем у литий-ионных технологий. Однако до промышленного производства пока еще далеко.

Есть у Sanvault и конкуренты. Группа ученых из университета Свинбурна, Австралия, также представила графеновый суперконденсатор, который по емкости сопоставим с литий-ионными аккумуляторами. Его зарядка производится за несколько секунд. Вдобавок он гибкий, что позволит его использовать в устройствах различных форм-факторов, и даже в элементах умной одежды.

Литиевые АКБ будут ещё долго

Несмотря на приближение к серийному производству первых натриевых аккумуляторов и активной работе над графеновыми источниками питания, специалисты в отрасли никаких революций на ближайшие несколько лет не предрекают. Тем более LI-Ion АКБ тоже совершенствуется – например литий-титановые батареи.

В компании «Литеко», работающей под крылом «Роснано» и производящей в России литий-ионные аккумуляторы, считают, что поводов к замедлению роста рынка пока нет.

Устойчивый спрос на литий-ионные аккумуляторы обусловлен, прежде всего, их высокой удельной энергией (запасённой на единицу массы или объёма). По этому параметру они не имеют конкурентов среди перезаряжаемых химических источников тока, производимых на данный момент серийно» комментируют в компании.

Однако в случае коммерческого успеха тех же натриевых аккумуляторов BroadBit, рынок может переформатироваться в считанные годы. Вы сами знаете, как быстро развиваются технологии и прогресс проникает в каждую семью.