Энергия будущего: топ-6 технологий, способных заменить литий-ионные батареи (видео)

Аккумуляторы обеспечивают работу самых значимых технологий в жизни человечества: от смартфонов до автомобилей, и большинство из них — дорогостоящие литий-ионные. В последние годы инженеры активно работают над альтернативными типами батарей и уже добились значительных успехов, сайт Android Authority представил наиболее перспективные из них.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Прежде чем мы рассмотрим, как работают альтернативные технологии, стоит разобраться, как работают перезаряжаемые литий-ионные батареи, и объяснить, почему их стоит заменить чем-то другим. Каждый аккумулятор состоит из катода (положительного электрода), анода (отрицательного электрода) и электролитной среды.

Во время использования заряженной литий-ионной батареи, положительно заряженные ионы лития перемещаются от анода к катоду вместе с потоком электронов, которые можно использовать для питания электронных устройств. При зарядке тот же процесс происходит в обратном порядке.

Таким образом батареи можно циклично заряжать и разряжать сотни раз, но технология далеко не идеальна. Конкретно литий-ионные аккумуляторы имеют ряд недостатков, которые сильно ограничивают производителей электронных устройств и электротранспорта.

Самый главные проблемы литий-ионных аккумуляторов:

• Безопасность. Литий является высокореактивным и легковоспламеняющимся металлом, поэтому батарею необходимо хранить при определенной температуре и в условиях, не допускающих перегрузки или короткого замыкания. В противном случае эти батареи могут загореться или даже взрываться из-за цепной реакции, известной как тепловой разгон.
• Дефицит. Литий является довольно редким металлом на Земле, и большинство его месторождений расположены вдали от производственных центров.
• Экологичность. Для производства литий-ионных батарей применяют методы добычи таких металлов, как литий, кобальт и никель, вредные для окружающей среды. Более того, большое количество этих металлических ресурсов находится в развивающихся странах, таких как Демократическая Республика Конго, где еще не приняли этическую практика добычи полезных ископаемых, а это означает, что производство приводит к большим выбросам парниковых газов.
• Долговечность. Аккумуляторы смартфонов не вечны, большинство производителей гарантируют их работу только в течение 800–1000 циклов зарядки — примерно один заряд каждый день в течение трех лет. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы имеют свойство разрушаться со временем, ведь различные химические и физические нагрузки уменьшают количество ионов лития и снижают способность удерживать заряд.

Учитывая все вышеперечисленные проблемы, неудивительно, что практически все крупные технологические компании ищут альтернативные технологии производства аккумуляторов. Хотя многие из этих проектов пока находятся на начальном этапе разработки, некоторые из них уже показывают многообещающие результаты и могут стать основой для техники следующего поколения уже в следующем десятилетии. Приводим краткий список лучших альтернатив литий-ионным батареям, а также их преимуществ.

Натрий-ионные аккумуляторы

Технология не сильно отличается от привычной литий-ионной, исследователи просто взяли ионы натрия вместо лития, чтобы переносить заряд между электродами. Казалось бы, небольшое изменение оказывает большое влияние на производство аккумуляторов, поскольку натрий гораздо доступнее лития. Фактически, для извлечения этого вещества можно использовать соль из морей или океанов по всему миру. Легкость добычи может снизить стоимость производства аккумуляторов, поскольку компаниям больше не придется беспокоиться о хранении и транспортировке потенциально опасного материала, такого как литий.

Однако натрий-ионные аккумуляторы тоже не идеальны, ведь ионы натрия гораздо больше по размеру, и это приводит к более низкой плотности энергии. Батареи по такой технологии придется делать значительно крупнее, чтобы обеспечить такое же время автономной работы как у литиевых. Тем не менее другие преимущества натрий-ионных аккумуляторов заслуживают дальнейшего изучения этой технологии.

Литий-серные батареи

В литий-ионной батарее на аноде используется кобальт, добыть который довольно сложно. Литий-серные (Li-S) батареи решают эту проблему, используя вместо этого серу в качестве материала для электрода. Помимо замены кобальта, батареи Li-S имеют ряд других преимуществ: более высокую плотность энергии и более низкие производственные затраты.

Самая большая проблема с литий-серными батареями на данный момент связана с их быстрой деградацией (выходом из строя). Поэтому, несмотря на то, что еще в 2008 году мы видели, как самолет на солнечной энергии использует литий-серную батарею, ученым предстоит еще много работы, чтобы сделать эту технологию пригодной для повседневного применения.

Твердотельные батареи

Литий-ионные аккумуляторы используют жидкую электролитную среду, которая позволяет ионам перемещаться между электродами. Электролит обычно представляет собой органическое соединение, которое может загореться при перегреве или повреждении аккумулятора, поэтому, чтобы снизить риск, исследователи разработали альтернативу в виде твердотельных батарей. В них используется твердое неорганическое вещество, которое может выдерживать суровые условия окружающей среды и резкие перепады температуры. Помимо более низкого риска возгорания, твердотельные батареи также могут хранить больше энергии по сравнению со своими литий-ионными аналогами. Более высокая проводимость твердого электролита также должна привести к более быстрому времени зарядки устройств.

До сих пор мы видели, как производители электромобилей проявляют большой интерес к твердотельным батареям. Honda, например, заявила, что продемонстрирует эту технологию уже в 2024 году. Toyota, тем временем, придерживается более консервативного подхода и планирует представить коммерческие твердотельные батареи после 2027 года.

Водные магниевые батареи

В очередной попытке сделать аккумуляторные батареи менее опасными и вредными исследователи предложили использовать ионы магния в качестве носителей заряда. Это имеет несколько преимуществ, начиная с обильной доступности магния и более высокого ионного заряда по сравнению с литием. Последнее означает, что вы получаете более высокую плотность энергии от ячейки того же размера. Наконец, в этих батареях также используется электролит на основе воды вместо легковоспламеняющихся химикатов.

Несмотря на многообещающие результаты, технология пока находится на раннем этапе исследований. Технология сталкивается с рядом ограничений, которые не позволяют ей в ближайшее время стать альтернативой литий-ионным батареям. Например, существующие катодные материалы, работающие с литием, нельзя использовать для магния. А использование водного электролита ограничивает максимальное напряжение батареи, поскольку вода разлагается при более высоких напряжениях.

Графеновые батареи

Графен представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в виде гексагональной решетки или сотовой структуры. Лист графена настолько тонкий, что практически считается двумерной структурой. Это уникальное свойство хорошо подходит для производства аккумуляторов, поскольку оно также имеет отличную электропроводность, небольшой вес и прочную физическую структуру. В 2021 году китайский автопроизводитель GAC объявил о прорыве в технологии графеновых аккумуляторов, обеспечив зарядку на 80% всего за восемь минут.

Мы видели много шума вокруг графена как альтернативы литий-ионным батареям, но коммерческие продукты пока остаются нежизнеспособными. Его стоимость, пожалуй, главная причина, почему отрасль до сих пор его не приняла. Графен, стоимость которого превышает 60 000 долларов США за метрическую тонну, в настоящее время используется лишь в очень небольших количествах. Ford, например, уже использует этот материал в двигателях и топливных системах, чтобы снизить шум и избежать перегрева.

Водородные топливные элементы

Хотя водородные топливные элементы и не совсем похожи на перезаряжаемую литий-ионную батарею, они стали популярной альтернативой для получения экологически чистой энергии. Он включает в себя объединение хранимого газообразного водорода с кислородом из воздуха для производства электроэнергии и водяного пара. Другими словами, побочный продукт реакции полностью безвреден для окружающей среды.

Однако у водородных топливных элементов все же есть несколько недостатков. В автомобильной промышленности, например, нужно построить сеть водородных заправок. Кроме того, производство водородных топливных элементов обходится довольно дорого, поэтому, несмотря на то, что у нас есть такие автомобили, как Toyota Mirai, лишь несколько регионов в мире имеют инфраструктуру для заправки водородных баков.

Ранее ученые нашли способ добычи лития для аккумуляторов из воды. Сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США додумались использовать магнитные наночастицы на основе железа со специальной оболочкой, притягивающей металлы.