У пошуках вічної батарейки: як змінюються технології створення акумуляторів

Які завдання вирішують нові технології

За створення літій-іонної технології троє вчених отримали

Нобелевскую премию по химии в 2019 году.Адже в тому числі завдяки їх винаходу розширилися можливості по використанню портативної техніки (ноутбуків, смартфонів, планшетів). Сьогодні до накопичувачів енергії висувають все більш високі вимоги, і це підштовхує до пошуку нових технологій. Важливий баланс між габаритами, енергетичними характеристиками і ціною. Перші два параметри можна налаштовувати в широкому діапазоні, але ціна залишається серйозною перешкодою. Та й технології, що використовують літій, впираються в обмеження: літію в природі не так багато, а його видобуток обходиться досить дорого. Прогрес останніх років зачіпає, скоріше, енергоефективність, а не якісні характеристики. Хоча розробок багато, інновації не так швидко потрапляють на масовий ринок.

Розвиток батарей для електротранспорту, складськоїтехніки та космічної галузі відбуваються значно швидше. Технологічний ривок відбудеться і на масовому ринку, але для цього виробники мобільної техніки повинні вибрати автономність пристроїв як ключовий елемент доданої вартості. Однак очікування буде довгим. За оцінками Міжнародного енергетичного агентства, основною технологією в найближчі десятиліття залишаться літієві акумулятори. Вихід нових розробок на ринок прогнозуються не раніше 2025 року. Але фундамент майбутніх змін закладається вже зараз, основні тренди пов'язані з технологією швидкої зарядки, зменшенням габаритів і підвищенням терміну служби акумуляторів.

Стартапи заради швидкої зарядки

Технологія швидкої зарядки включає три основнихмоменти: алгоритми заряду, енергетичні параметри і перетин провідника. Якщо мова про мобільну техніку, то її заряджання не передбачає різноманітності роз'ємів і кабелів. Type-C став стандартом для індустрії, тому на перший план виходять алгоритми заряду, такі як Power Delivery і Quick Charge.

Їх основне завдання - забезпечити передачу більшогокількості енергії по тому ж проводу, не перевищуючи допустимі значення сили струму (до 3 А). Але пристрій не повинно перегріватися під час зарядки, тому сьогодні роблять упор не тільки на збільшення зарядної напруги, але і на розробку спеціальних алгоритмів, поступово знижують потужність (у міру того, як батарея відновлює рівень заряду). Крім того, технологія швидкої зарядки стає одним з пунктів, що забезпечують «прив'язку» споживача до екосистемі конкретного виробника.

Канадський стартап GBatteries намагається вирішитизавдання швидкого поповнення заряду за допомогою штучного інтелекту. Швидка зарядка відбувається завдяки послідовним мікроімпульси постійно мінливого струму. Діють розумні алгоритми, які вбудовані в зарядні станції: вони визначають, коли саме відправити черговий імпульс і визначають рівень напруги, щоб не нашкодити акумуляторів. Технологію планують поєднати з поточним поколінням літій-іонних акумуляторів. Планується, що завдяки задумом батареї електрокарів зможуть заповнювати заряд за 5-10 хвилин. Канадці розробляють зарядні станції і для іншої техніки.

Технологію швидкої зарядки пропонує іізраїльський стартап StoreDot. Замість модифікації принципу роботи зарядного пристрою вони звернулися до хімії самої акумуляторної батареї. Замість графіту використовуються олово, германій і кремній в поєднанні з органічними сполуками. Заряд батареї, використовуваної в електросамокаті, вийшло заповнити всього за п'ять хвилин. Фахівці розробляють акумулятор для телефону, який зможе заповнити заряд так само швидко. Серед інвесторів стартапу - Mercedes Daimler і Samsung. Правда, знову ж таки, питання в ціні - спочатку батареї точно не будуть дешевими.

Стартапи, котрі пообіцяли супертонкі акумулятори

Якщо говорити про літієвих батареях, то завдання повиробництва акумулятора товщиною близько 1 мм цілком здійсненна. Але якщо потрібно зберегти ємність, фізичний обсяг активної речовини в акумуляторі повинен залишитися незмінним. Як результат - вийде тонка, але дуже широка батарея. При цьому показники енергетичної ефективності пристрою будуть нижче, ніж у його стандартних «побратимів».

Тому надтонкі літієві АКБ затребуванілише в специфічних областях приладобудування. Що стосується масового ринку, компактні пристрої завжди користуються попитом. Наприклад, в лінійці зовнішніх акумуляторів федеральної дистриб'юторської мережі Energon модель Revolter 5000 товщиною всього 5 мм, і такі габарити вже сприймаються споживачами як супертонкий формат.

Серед технологій, які дозволять зберегтиємність батареї при зменшенні габаритів - стартапи з Японії. Наприклад, 3Dom (стартап, який з'явився в 2014 році в Токійському університеті). До 2022 року в планах - виробництво літій-металевих батарей, які при таких же габаритах більш ефективні, ніж сучасні літій-іонні акумулятори.

В основі японської технології - заміна вуглецевихматеріалів на металевий літій. Подібна хімія забезпечує більш високу щільність енергії, але одночасно з цим зростає ризик коротких замикань і загорянь.

Стартапи: для довгої служби

Існує багато електродних матеріалів,забезпечують видатну стійкість до циклированию - наприклад, LTO або NMC. Але через вартість такі акумулятори недоступні для широкого споживчого ринку. І поки немає передумов того, що ситуація скоро зміниться.

Але зміни відбуваються - не тільки в областіхімії пристроїв, але і контролерів, менеджменту заряду, енергоефективності пристроїв. Працюючи в комплексі, вони значно подовжують життя акумуляторів. Навіть Ілон Маск, який любить сміливі обіцянки, визнав: перспективніше поліпшення літій-іонних акумуляторів, а не пошук абсолютно нових технологій.

Серед нових технологій, які збираютьсязапропонувати ринку - батареї, де дорогі метали замінені дешевими і поширеними речовинами. Наприклад, американський стартап Conamix обіцяє прибрати кобальт - елемент, який добувають в Конго. Уряд цієї республіки постійно піднімає податок на сировину. Наукові розробки дозволять зменшити вміст цього металу в акумуляторах для електромобілів з 20% до 4%.

Як батареї гальмують розвиток перспективних технологій

На жаль, повільний прогрес у сферіакумуляторних батарей багато в чому обмежує розвиток суміжних індустрій. Смартфони, ноутбуки, електромобілі стають все більш технологічно «нафаршированими» і вимагають все більше енергії. Наприклад, активному користувачеві смартфона батареї вистачає на 6-8 годин. Причому в середньому росіянин щодня відкриває 10-12 додатків. У зв'язку з цим розробники смартфонів підбирають енергозберігаючі програми. Одні виробники вбудовують додатки в прошивку за замовчуванням, інші залишають вибір за користувачем - пропонують завантажити їх. Якщо з'являться ефективні батареї, розширяться можливості по використанню програм.

Ще один напрямок - сонячна енергія.Більшість установок займають чимало місця, а їх вартість висока. Відомий факт: левова частина витрат на розгортання сонячних систем пов'язана з придбанням акумуляторів, які будуть запасати енергію. Тому більш дешеві та енергоефективні накопичувачі забезпечили б значно ширше застосування зелених технологій.

Пошук ефективного зберігання енергії відбувається ів сфері сонячної енергії. Наприклад, дослідники Стенфордського університету пропонують альтернативу - використання біологічних систем. Технологія передбачає вилучення метану за допомогою бактерії Methanococcus maripaludis. Потім його планують перетворювати в електрику завдяки існуючій інфраструктурі.

Є кілька причин, які гальмують появунових більш ефективних батарей. Одна з них - надзвичайно висока вартість розробки. За даними Lux Research, в середньому для підтримки роботи стартапа, націленого на пошук нових рішень в сфері зберігання та транспортування енергії, потрібно до $ 40 млн протягом восьми років. Наприклад, японська компанія New Energy & Industrial Technology Development Organization виділила 90 млн на створення батарей нового типу. Але частіше стартаперам доводиться шукати фінансування. Наприклад, компанія StoreDot звернулася до краудфандінгом, де вдалося залучити $ 6,25 млн інвестицій.

Тиражування нових розробок обійдеться щедорожче. Тільки для створення нової виробничої лінії і рішення супутніх завдань, за підрахунками, потрібно близько $ 500 млн. Тому технології, які здаються дивом, не завжди розробляють швидко.

Впровадження нових технологій - справа нешвидка. Адже навіть з моменту створення стабільних літій-іонних акумуляторів до старту серійного виробництва пройшло більше 10 років.

Читайте також:

Створити термоядерний реактор на Землі реально. Які будуть наслідки?

Льодовик «Судного дня» виявився небезпечніше, ніж думали вчені. розповідаємо головне

На 3 день хвороби більшість хворих COVID-19 втрачають нюх і часто страждають нежиттю