Вся техника скоро изменится: топ-6 устройств для хранения энергии вместо литиевых батарей

От смартфонов до электромобилей, аккумуляторы питают самые важные устройства в нашей жизни. И хотя сами батареи не являются какой-то новой технологией, литий-ионные (Li-on), которые питают большинство электроприборов, стали популярными всего несколько десятилетий назад. Но как только мир перешел на возобновляемые и устойчивые источники энергии, такие как ветер и солнце, в последние годы также появились аналогичные разработки сфере аккумуляторных технологий.

В этой статье Фокус рассматривает технологии, которые могли бы заменить литий-ионные аккумуляторы, и рассказывает о том, как работают современные альтернативные батареи.

Как работает литий-ионный аккумулятор

Прежде чем рассмотрим, как работают конкурирующие технологии, стоит упомянуть о том, как функционирует перезаряжаемая литий-ионная батарея (Li-on) и то, почему она не является идеальной для современной техники.

Каждая батарея состоит из катода (положительного электрода), анода (отрицательного электрода) и электролитной среды. Когда разряжается заряженная литий-ионная батарея, положительно заряженные ионы лития перемещаются от анода к катоду. Это также вызывает поток электронов, который может использоваться для питания электронных устройств. А когда она заряжается, тот же процесс происходит в обратном порядке.

Таким образом, получаем цикл, который позволяет заряжать и разряжать литий-ионный аккумулятор сотни раз. Но это не значит, что технология идеальна, пишет androidauthority.com.

Почему Li-on так проблематичен

У Li-on аккумуляторов есть ряд недостатков, которые повлияли на все: от производства смартфонов до жизнеспособности электромобилей. Вот некоторые из них:

• Безопасность: литий — высокореактивный и легковоспламеняющийся металл. Li-on аккумулятор необходимо хранить при определенной температуре и в условиях, которые не допускают перезарядки или коротких замыканий. В противном случае эти аккумуляторы имеют тенденцию к возгоранию или даже взрыву из-за цепной реакции, известной как тепловой разгон.
• Дефицит: литий является ключевым компонентом Li-on батарей, но на планете его ограниченное количество. Более того, большинство запасов лития находятся вдали от производственных центров.
• Устойчивость: Li-on аккумуляторы требуют добычи таких металлов, как литий, кобальт и никель. Методы их добычи негативно влияют на окружающую среду. Более того, большое количество этих ресурсов находится в развивающихся странах, таких как Демократическая Республика Конго. В этих странах еще не установлены этические методы добычи, а это значит, что производство лития и прочих металлов провоцирует огромное количество выбросов парниковых газов.
• Долговечность: как известно, аккумуляторы со временем деградируют. Большинство производителей смартфонов гарантируют производительность батарей только на 800-1000 циклов зарядки. Это примерно одна зарядка в день в течение трех лет, поэтому по истечении этого срока нужно либо заменить телефон, либо установить новую батарею. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы, как правило, со временем претерпевают постоянные изменения в своем составе. Различные химические и физические нагрузки уменьшают количество ионов лития и снижают способность батареи удерживать заряд.

Лучшие альтернативы литий-ионным батареям

Учитывая все вышеперечисленные проблемы, не должно вызывать удивления то, что практически все крупные технологические компании пытаются найти альтернативные технологии. Хотя многие из этих технологий все еще находятся в зачаточном состоянии, несколько из них могут стать основой для электромобилей и другой бытовой электроники в течение следующих 10-20 лет. Поэтому, не теряя времени, вот краткий список лучших альтернатив литий-ионным аккумуляторам и того, как они улучшают существующую технологию аккумуляторов.

Натрий-ионные аккумуляторы

Начнем с технологии аккумуляторов, которая не слишком сильно отличается от знакомой базовой линии Li-on. В натрий-ионных аналогах ионы лития заменены на ионы натрия — они-то и используются в качестве носителей заряда. Это единственное изменение оказывает большое влияние на производство аккумуляторов, поскольку натрий гораздо более распространен, чем литий. Фактически, можно использовать соль из океанических вод для извлечения натрия, и делать это в любой точке мира. Это также может снизить стоимость производства батарей, поскольку не придется беспокоиться о хранении и транспортировке потенциально опасного материала, такого как литий.

Однако натрий-ионные аккумуляторы тоже не идеальны. Их ионы физически больше лития, что означает меньшую плотность энергии. Это приводит к меньшему запасу хода для электромобилей и сокращению времени работы смартфонов. Тем не менее, другие преимущества натрий-ионных устройств заслуживают дальнейшего изучения и проработки.

Литий-серные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-S) использует кобальт на аноде, который, как оказалось, довольно редко встречается в природе. Эту проблему можно решить, используя серу в качестве катодного материала. Помимо замены кобальта, Li-S аккумуляторы предлагают несколько преимуществ, а именно более высокую плотность энергии и более низкие производственные затраты.

Самая большая проблема с литий-серными батареями на данный момент связана с их быстрой скоростью деградации. Поэтому, хотя инженеры и создали самолет на солнечной энергии, использующий Li-S аккумулятор еще в 2008 году, исследования все еще ведутся с целью сделать эту технологию жизнеспособной для повседневной электроники.

Твердотельные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы используют жидкую электролитную среду, которая позволяет ионам перемещаться между электродами. Электролит, как правило, представляет собой органическое соединение, которое может воспламениться при перегреве или перезарядке. Поэтому, чтобы снизить этот риск, исследователи разработали альтернативу в виде твердотельных батарей. Они используют твердый неорганический электролит, который может выдерживать суровые условия и резкие перепады температур.

Помимо более низкого риска возгорания, твердотельные аналоги также могут удерживать больше энергии по сравнению с их литий-ионными. Большая проводимость твердого электролита приводит к более быстрому времени зарядки, то есть к лучшей емкости и скорости зарядки от устройств, которые переходят на эту технологию.

Многие производители электромобилей проявляют большой интерес к твердотельным аккумуляторам. Компания Honda, например, заявила, что скоро продемонстрирует эту технологию. А в 2024 году Samsung SDI заявила, что к 2027 году она выйдет на массовое производство твердотельных аккумуляторов.

Водородные топливные элементы

Хотя водородные топливные элементы не совсем похожи на перезаряжаемые литий-ионные батареи, они стали популярной альтернативой для получения чистой энергии. Для производства электроэнергии и водяного пара они используют хранящийся водородный газ и кислород. Другими словами, побочный продукт реакции полностью экологичен.

Однако у водородных топливных элементов все еще есть несколько недостатков. Например, для автомобильной промышленности нужно построить сеть водородных заправочных станций. Кроме того, водородные топливные элементы дороги в производстве, поэтому, несмотря на то, что есть такие автомобили, как Toyota Mirai, только в нескольких регионах мира существует инфраструктура для заправки этого авто.

Водные магниевые батареи

В очередной попытке сделать перезаряжаемые 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 более высокую плотность энергии от ячейки того же размера. Наконец, эти батареи также используют водный электролит (воду) вместо легковоспламеняющейся органической жидкости.

Несмотря на многообещающие результаты, ученые все еще находятся на ранних стадиях исследований. Технология сталкивается с рядом ограничений, которые не позволяют ей в ближайшее время стать альтернативой литий-ионным батареям. Например, существующие катодные материалы, которые работают с литием, не могут использоваться для магния. А использование водного электролита накладывает ограничение на максимальное напряжение батареи, поскольку вода распадается при более высоком напряжении.

Графеновые батареи

Графен представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке или сотовой структуре. Лист графена настолько тонкий, что его практически можно рассматривать как двумерную структуру. Это уникальное свойство хорошо подходит для производства батарей, поскольку оно также обладает превосходной электропроводностью, малым весом и прочной физической структурой. В 2021 году китайский автопроизводитель GAC объявил о прорыве в технологии графеновых батарей, достигнув 80% заряда всего за 8 минут.

Было много шума вокруг графена как альтернативы литий-ионным аккумуляторам, но коммерческие продукты пока остаются нежизнеспособными. Его стоимость, возможно, является главной причиной, по которой отрасль еще не приняла его. При цене более 60 000 долларов за метрическую тонну графен в настоящее время используется только в очень малых количествах. Ford, например, использует следовые количества материала в двигателях и топливных системах для снижения шума и выдерживания тепла.