Енергія майбутнього: топ 6 технологій, здатних замінити літій-іонні батареї (відео)

Акумулятори забезпечують роботу найзначущіших технологій у житті людства: від смартфонів до автомобілів, і більшість із них — дорогі літій-іонні. Останніми роками інженери активно працюють над альтернативними типами батарей і вже досягли значних успіхів, сайт Android Authority представив найперспективніші з них.

Як працює літій-іонний акумулятор?

Перш ніж ми розглянемо, як працюють альтернативні технології, варто розібратися, як працюють літій-іонні батареї, що перезаряджаються, і пояснити, чому їх варто замінити чимось іншим. Кожен акумулятор складається з катода (позитивного електрода), анода (негативного електрода) й електролітного середовища.

Під час використання зарядженої літій-іонної батареї позитивно заряджені іони літію переміщуються від анода до катода разом із потоком електронів, які можна використовувати для живлення електронних пристроїв. Під час заряджання той самий процес відбувається у зворотному порядку.

Так батареї можна циклічно заряджати й розряджати сотні разів, але технологія далеко не ідеальна. Конкретно літій-іонні акумулятори мають низку недоліків, які сильно обмежують виробників електронних пристроїв і електротранспорту.

Найголовніші проблеми літій-іонних акумуляторів:

• Безпека. Літій є високореактивним і легкозаймистим металом, тому батарею необхідно зберігати за певної температури та в умовах, що не допускають перевантаження або короткого замикання. В іншому разі ці батареї можуть спалахнути або навіть вибухати через ланцюгову реакцію, відому як тепловий розгін.
• Дефіцит. Літій є досить рідкісним металом на Землі, і більшість його родовищ розташовані далеко від виробничих центрів.
• Екологічність. Для виробництва літій-іонних батарей застосовують методи видобутку таких металів як літій, кобальт і нікель, шкідливі для навколишнього середовища. Ба більше, велика кількість цих металевих ресурсів розташовані в країнах, що розвиваються, як-от Демократична Республіка Конго, де ще не перейняли етичну практику видобутку корисних копалин, а це означає, що виробництво призводить до більших викидів парникових газів.
• Довговічність. Акумулятори смартфонів не вічні, більшість виробників гарантують їхню роботу лише протягом 800-1000 циклів заряджання — приблизно один заряд щодня протягом трьох років. Це пов'язано з тим, що літій-іонні акумулятори мають властивість руйнуватися з часом, адже різні хімічні та фізичні навантаження зменшують кількість іонів літію та знижують здатність утримувати заряд.

Із огляду на всі перераховані вище проблеми, не дивно, що практично всі великі технологічні компанії шукають альтернативні технології виробництва акумуляторів. Хоча багато які з цих проєктів поки що перебувають на початковому етапі розроблення, деякі з них уже демонструють перспективні результати й можуть стати основою для техніки наступного покоління вже в наступному десятилітті. Наводимо короткий список найкращих альтернатив літій-іонним батареям, а також їхніх переваг.

Натрій-іонні акумулятори

Технологія не сильно відрізняється від звичної літій-іонної, дослідники просто взяли іони натрію замість літію, щоб переносити заряд між електродами. Здавалося б, невелика зміна має великий вплив на виробництво акумуляторів, оскільки натрій набагато доступніший за літій. Фактично для вилучення цієї речовини можна використовувати сіль із морів або океанів по всьому світу. Легкість видобутку може знизити вартість виробництва акумуляторів, оскільки компаніям більше не доведеться турбуватися про зберігання та транспортування потенційно небезпечного матеріалу, такого як літій.

Однак натрій-іонні акумулятори теж не ідеальні, адже іони натрію набагато більші за розміром, і це призводить до нижчої щільності енергії. Батареї за такою технологією доведеться робити значно більшими, щоб забезпечити такий самий час автономної роботи, як у літієвих. Проте інші переваги натрій-іонних акумуляторів заслуговують на подальше вивчення цієї технології.

Літій-сірчані батареї

У літій-іонній батареї на аноді використовується кобальт, добути який досить складно. Літій-сірчані (Li-S) батареї вирішують цю проблему, використовуючи замість цього сірку як матеріал для електрода. Крім заміни кобальту, батареї Li-S мають низку інших переваг: вищу щільність енергії та нижчі виробничі витрати.

Найбільша проблема з літій-сірчаними батареями наразі пов'язана з їхньою швидкою деградацією (виходом із ладу). Тому, попри те, що ще у 2008 році ми бачили, як літак на сонячній енергії використовує літій-сірчану батарею, вченим доведеться виконати ще багато роботи, щоб зробити цю технологію придатною для повсякденного застосування.

Твердотілі батареї

Літій-іонні акумулятори використовують рідке електролітне середовище, яке дозволяє іонам переміщатися між електродами. Електроліт зазвичай являє собою органічну сполуку, яка може спалахнути в разі перегріву або пошкодження акумулятора, тому, щоб знизити ризик, дослідники розробили альтернативу у вигляді твердотілих батарей. У них використовується тверда неорганічна речовина, яка може витримувати суворі умови навколишнього середовища та різкі перепади температури. Крім нижчого ризику загоряння, твердотілі батареї також можуть зберігати більше енергії порівняно зі своїми літій-іонними аналогами. Вища провідність твердого електроліту також має призвести до зменшення часу зарядки пристроїв.

Досі ми бачили, як виробники електромобілів виявляють неабиякий інтерес до твердотілих батарей. Honda, наприклад, заявила, що продемонструє цю технологію вже у 2024 році. Toyota водночас дотримується консервативнішого підходу й планує представити комерційні твердотілі батареї після 2027 року.

Водні магнієві батареї

У черговій спробі зробити акумуляторні батареї менш небезпечними та шкідливими дослідники запропонували використовувати іони магнію як носії заряду. Це має кілька переваг, починаючи з великої доступності магнію та вищого іонного заряду порівняно з літієм. Останнє означає, що ви отримуєте вищу щільність енергії від осередку того ж розміру. Нарешті, в цих батареях також використовується електроліт на основі води замість легкозаймистих хімікатів.

Попри багатообіцяльні результати технологія поки що перебуває на ранньому етапі досліджень. Технологія стикається з низкою обмежень, які не дозволяють їй найближчим часом стати альтернативою літій-іонним батареям. Наприклад, наявні катодні матеріали, що працюють із літієм, не можна використовувати для магнію. А використання водного електроліту обмежує максимальну напругу батареї, оскільки вода розкладається за вищої напруги.

Графенові батареї

Графен — це один шар атомів вуглецю, розташованих у вигляді гексагональної решітки або стільникової структури. Лист графену настільки тонкий, що практично вважається двовимірною структурою. Ця унікальна властивість добре підходить для виробництва акумуляторів, оскільки вона також має відмінну електропровідність, невелику вагу та міцну фізичну структуру. У 2021 році китайський автовиробник GAC оголосив про прорив у технології графенових акумуляторів, забезпечивши зарядку на 80% всього за вісім хвилин.

Ми бачили багато галасу навколо графену як альтернативи літій-іонним батареям, але комерційні продукти поки що залишаються нежиттєздатними. Його вартість, мабуть, головна причина, чому галузь досі його не прийняла. Графен, вартість якого перевищує 60 000 доларів США за метричну тонну, наразі використовується лише в дуже невеликих кількостях. Ford, наприклад, уже використовує цей матеріал у двигунах і паливних системах, щоб знизити шум і уникнути перегріву.

Водневі паливні елементи

Хоча водневі паливні елементи й не зовсім схожі на літій-іонну батарею, що перезаряджається, вони стали популярною альтернативою для отримання екологічно чистої енергії. Він передбачає об'єднання збереженого газоподібного водню з киснем із повітря для виробництва електроенергії та водяної пари. Іншими словами, побічний продукт реакції повністю нешкідливий для навколишнього середовища.

Однак у водневих паливних елементів усе ж є кілька недоліків. В автомобільній промисловості, наприклад, потрібно побудувати мережу водневих заправок. Зокрема, виробництво водневих паливних елементів обходиться доволі дорого, тому, попри те, що в нас є такі автомобілі, як Toyota Mirai, лише кілька регіонів у світі мають інфраструктуру для заправки водневих баків.

Раніше вчені знайшли спосіб видобутку літію для акумуляторів із води. Співробітники Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США додумалися використовувати магнітні наночастинки на основі заліза зі спеціальною оболонкою, що притягує метали.