Аккумуляторная революция: лучшая батарея

  1. Потерять мертвый вес
  2. Упакуйте больше ударов за ион
  3. Сделать батареи, которые дышат
  4. Иди за решетку

Мобильный мир зависит от литий-ионных аккумуляторов - сегодняшнего непревзойденного аккумулятора. В прошлом году потребители купили пять миллиардов литий-ионных элементов для питания энергоемких ноутбуков, фотоаппаратов, мобильных телефонов и электромобилей. «Это лучшая аккумуляторная технология, которую кто-либо когда-либо видел», - говорит Джордж Крэбтри, директор Объединенного центра исследований по хранению энергии в США (JCESR), который базируется в Аргоннской национальной лаборатории под Чикаго, штат Иллинойс. Но Крэбтри хочет сделать намного лучше.

Современные литий-ионные аккумуляторы имеют в два раза больше энергии по весу, чем первые коммерческие версии, проданные Sony в 1991 году, и в десять раз дешевле. Но они приближаются к своему пределу. Большинство исследователей считают, что усовершенствование литий-ионных ячеек может потреблять не более 30% больше энергии по весу (см. «Включение» ). Это означает, что литий-ионные аккумуляторы никогда не дадут электромобилям 800-километровый бензобак или не будут снабжать энергичные смартфоны многодневным соком.

В 2012 году центр JCESR выиграл 120 миллионов долларов США у Министерства энергетики США, чтобы сделать шаг вперед по сравнению с литий-ионной технологией. Его заявленная цель состояла в том, чтобы сделать элементы, которые, если их масштабировать до коммерческих аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, будут в пять раз более плотными, чем стандартное оборудование дня, и в пять раз дешевле всего за пять лет. Это означает достижение цели в 400 ватт-часов на килограмм (Вт кг-1) к 2017 году.

Крабтри называет цель «очень агрессивной»; Ветеран исследований батарей Джефф Дан из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада, называет это «невозможным». Плотность энергии перезаряжаемых батарей возросла всего в шесть раз с момента появления первых никель-свинцовых аккумуляторов 1900-х годов. Но, говорит Дан, цель JCESR фокусируется на технологиях, которые будут иметь решающее значение для того, чтобы помочь миру переключиться на возобновляемые источники энергии - например, накапливать солнечную энергию для ночного или дождливого дня. И американский центр далеко не одинок. Многие исследовательские группы и компании в Азии, Америке и Европе выходят за рамки литий-ионного производства и проводят стратегии, которые могут свергнуть его с трона.

Многие исследовательские группы и компании в Азии, Америке и Европе выходят за рамки литий-ионного производства и проводят стратегии, которые могут свергнуть его с трона

Источник: С.-Х. Zu & H. Li Energy Environ. Sci. 4, 2614–2624 (2011) / Avicenne

Потерять мертвый вес

Инженер-химик Элтон Кэрнс подозревал, что он приручил многообещающую, но дикую химию батарей в начале прошлого года, когда его ячейки размером с монету все еще укреплялись даже после нескольких месяцев непрерывного разряда и перезарядки. К июлю его камеры в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, ехали на велосипеде 1500 раз и потеряли только половину своей мощности 1 - производительность примерно на уровне лучших литий-ионных аккумуляторов.

Его батареи основаны на технологии литий-сера (Li-S), которая использует чрезвычайно дешевые материалы и теоретически может в пять раз увеличить энергию по весу, чем литий-ионная (на практике, как полагают исследователи, это будет в два раза много). Батареи Li-S были впервые установлены 40 лет назад, но исследователи не смогли заставить их выжить после примерно 100 циклов. Сейчас многие считают, что устройства - это технология, наиболее близкая к тому, чтобы стать коммерчески жизнеспособным преемником Li-ion.

По словам Кэрнса, одним из главных преимуществ Li – S является то, что он избавляется от «мертвого веса» в литий-ионной батарее. Внутри типичной литий-ионной ячейки пространство занято слоистым графитовым электродом, который делает немного больше, чем ионы лития. Эти ионы протекают через жидкий электролит, несущий заряд, в слоистый металлоксидный электрод. Как и во всех батареях, ток генерируется, потому что электроны должны течь вокруг внешней цепи, чтобы сбалансировать заряды (см. «Радикальные редизайны» ). Чтобы перезарядить батарею, подается напряжение, чтобы обратить поток электронов, который также отталкивает ионы лития.

В литий-ионной батарее графит заменяется осколком чистого металлического лития, который выполняет двойную функцию как электрод, так и поставщик литиевых ионов: он сжимается при работе батареи и восстанавливается, когда батарея заряжается. А оксид металла заменяется более дешевой, более легкой серой, которая действительно может упаковывать литий: каждый атом серы связывается с двумя атомами лития, тогда как для связывания только одного лития требуется более одного атома металла. Все это создает явное преимущество в весе и стоимости для технологии Li – S.

Но реакция между литием и серой вызывает проблемы. По мере того как батарея заряжается и разряжается, растворимые соединения Li-S могут просачиваться в электролит, разрушая электроды, так что батарея теряет заряд и элемент застывает. Чтобы предотвратить это, Кэрнс использует приемы, ставшие возможными благодаря достижениям в области нанотехнологий и химии электролитов, включая фальсификацию его серного электрода с помощью связующего вещества на основе оксида графена и использование специально разработанных электролитов, которые не растворяют так много лития и серы. Кэрнс предсказывает, что ячейка коммерческого размера может достичь плотности энергии около 500 Вт · ч кг-1. Другие лаборатории сообщают о похожих результатах, говорит он.

Некоторые исследователи сомневаются, что академическое настроение приведет к коммерческому успеху. Лаборатории часто используют низкое содержание серы и большое количество электролита, с которым относительно легко работать, но при этом он не создает энергоемкую батарею. По словам Стива Виско, который более 20 лет работает над Li-S в аккумуляторной компании PolyPlus в Беркли, всего в 5 километрах к западу от лаборатории Кернса. По его словам, сделать дешевую коммерческую камеру, работающую в диапазоне температур, также будет сложно.

По крайней мере, одна компания поддерживает перспективы Li – S: Oxis Energy в Абингдоне, Великобритания. В нем говорится, что он запустил большие ячейки в течение впечатляющих 900 циклов при плотностях энергии, соответствующих текущим литий-ионным элементам. Oxis работает с Lotus Engineering, со штаб-квартирой в Анн-Арборе, штат Мичиган, над проектом по достижению 400 Вт / кг-1 к 2016 году для электромобиля.

Упакуйте больше ударов за ион

Являясь самым легким металлом в мире, литий обеспечивает огромное преимущество в весе. Но некоторые исследователи утверждают, что клетки следующего поколения должны перейти на более тяжелые элементы, такие как магний. В отличие от ионов лития, которые могут нести только один электрический заряд каждый, дважды заряженные ионы магния перемещаются по два за раз - мгновенно увеличивая электрическую энергию, которая может выделяться для одного и того же объема.

Однако магний сталкивается со своей собственной проблемой: в то время как литий проникает через электролиты и электроды, магний с двумя зарядами движется, как через патоку.

Питер Чупас, исследователь батареи в Аргоннской национальной лаборатории, который работает с JCESR, снимает высокоэнергетические рентгеновские лучи на магнии в различных электролитах, чтобы выяснить, почему он испытывает такое сильное сопротивление. До сих пор он и его коллеги обнаружили, что магний оказывает сильное воздействие на атомы кислорода в любом окружающем растворителе, привлекая кластеры молекул растворителя, которые делают его более объемным. Такого рода фундаментальные исследования являются ключом к созданию лучшей батареи, но это обычно не делается промышленностью, говорит Крэбтри. «Типичная операция по НИОКР основана на методах проб и ошибок, а не на фундаментальных исследованиях», - говорит он. По его словам, именно здесь JCESR приносит преимущество в этой области.

Ученый-материаловед Кристин Перссон из Лоуренса Беркли использует суперкомпьютер для моделирования внутренних элементов возможных новых батарей, пытаясь найти комбинацию электродов и электролитов, которая позволит магнию легче проходить через него. «Прямо сейчас мы проходим около 2000 различных электролитов», - говорит она.

Перссон и Гербранд Седер, специалист по материалам из Массачусетского технологического института в Кембридже, основали компанию по разработке этих аккумуляторов с более высоким зарядом. Pellion Technologies, базирующаяся в Кембридже, молчит о своих результатах; он опубликовал только одну статью о электролитах 2 , Ряд патентов, опубликованных в конце 2013 года, намекают на то, что компания разрабатывает более открытые электродные структуры, чтобы помочь ионам магния течь. Крупные электронные фирмы, такие как Toyota, LG, Samsung и Hitachi, также работают над такими ячейками, выпуская мало информации, кроме случайных дразнилок.

Поскольку компании держатся в секрете, Перссон продолжает изучать то, что она называет «геном электролита». Подход «просеивание через суперкомпьютер» также может помочь в поиске батарей, изготовленных из других металлов с множеством зарядов (или «многовалентных»), таких как алюминий и кальций. Седер призывает к терпению, указывая на то, что исследования химии литий-ионных аккумуляторов получили 40-летний опыт. «У нас так мало информации о многовалентных ионах», - говорит он.

Сделать батареи, которые дышат

Винфрид Вилке, который описывает себя как «чрезвычайно счастливого обладателя электромобиля Tesla S», считает, что автомобиль изменил свое мнение о приоритетах исследований аккумуляторов.

Пять лет назад Уилк, возглавляющий подразделение нанотехнологий и технологий IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния, запустил проект по разработке автомобильного аккумулятора с радиусом действия 800 километров. Вначале он сосредоточился на теоретическом пределе энергоемкого хранения энергии: окислении лития кислородом, взятым из воздуха. Такие «дышащие» батареи имеют огромное преимущество в весе по сравнению с другими типами, потому что они не должны носить с собой один из своих основных ингредиентов. Литий-кислородная (Li-O) батарея теоретически может накапливать энергию так же плотно, как бензиновый двигатель - более чем в десять раз лучше, чем современные автомобильные аккумуляторы.

Но, проехав более 22 000 километров на своем электрическом родстере, Уилке доволен 400-километровой дальностью, которую уже обеспечивает его батарея. По его словам, реальная проблема заключается в деньгах: аккумуляторные батареи для электромобилей стоят более 500 кВт-1. «То, что сдерживает массовое признание электромобилей, - это цена, а не плотность энергии», - говорит он. Так что Уилке теперь предпочитает более дешевую дыхательную батарею на основе натрия. Теория предсказывает, что натрий-кислородные (Na-O) батареи могут обеспечить только половину плотности энергии Li-O, но это все же в пять раз лучше, чем литий-ионные батареи. А натрий дешевле лития, поэтому Na-O может, как надеется Уилке, приблизиться к цели в 100 кВт-ч-1, которую JCESR и другие поставили перед собой в отношении доступности.

На изменение настроения Уилке, несомненно, повлиял тот факт, что многие отказались от надежды на Ли-О. Исследователи, которые пытались заставить его работать в течение последних 20 лет, боролись с нежелательными побочными реакциями: углерод в электролите и материале электрода реагируют с литием и кислородом с образованием карбоната лития, так что в каждом цикле около 5–10% емкость батареи потеряна. Приблизительно после 50 циклов батарея задыхается. «Суть в том, что Li-O имеет нулевой шанс для транспортных средств», - говорит Стэнли Уиттингем из Университета Бингемтон в Нью-Йорке, который изобрел концепцию литий-ионных аккумуляторов в 1970-х годах и по-прежнему стремится выжать из них лучшие характеристики. Исследователи, надеющиеся реанимировать Ли-О, включают Питера Брюса, химика из университета Сент-Эндрюс, Великобритания. «Мы ближе к тому, что нужно, чем несколько лет назад», - утверждает он. Но многие считают это безнадежным делом.

Вилке заинтересовался натриевой дыхательной батареей в прошлом году после удивительного открытия группой, в состав которой вошли Юрген Янек и Филипп Адельхельм из Гюссенского университета им. Юстуса-Либиха в Германии. Они обнаружили, что Na-O аккумулятор заряжается эффективнее, чем Li-O, без осложнений побочных реакций. 3 , «Мы попробовали это и были ошеломлены», - говорит Уилк. Плюс, по его словам, он работает с дешевыми электродами и электролитами. Янек говорит, что его команда теперь показала, что его батарея может работать реверсивно, по крайней мере, 100 циклов - неплохо для первых дней технологии. Химический гигант BASF сейчас работает с ними.

Дан, например, не убежден. Бушует спор о том, понадобится ли для дыхательных батарей тяжелое фильтрующее оборудование для извлечения кислорода из воздуха, что могло бы сократить или даже устранить их преимущество в энергии на вес. «Na – O - это просто последнее увлечение», - говорит Дан. Но Вилке готов поспорить иначе.

Иди за решетку

Видение будущего аккумулятора Дональдом Садоуем похоже на плавильный завод: он представляет собой ящики размером с транспортную тару, каждый из которых содержит 20 стальных блоков размером с холодильник, в которых содержится литр расплавленных металлов и солей, нагретых до 500 ° C.

Такие батареи никогда не смогут поместиться в автомобиле, и они не смогут побить Li-ion по таким показателям, как энергия, накопленная на единицу веса. Но когда дело доходит до хранения энергии для электросети - или других непереносимых приложений - размер не имеет значения. Вместо маленькой, легкой батареи, которая обладает мощным ударом, людям нужна батарея, которая дешево разливает по бутылкам и выдает небольшое или большое количество электроэнергии без особого технического обслуживания. JCESR хочет, чтобы такие батареи работали 7000 циклов или около 20 лет.

«Поле широко открыто», - говорит Седер. Поставщики электросетей использовали банки дешевых, например, старомодных свинцово-кислотных батарей или батареи Li-ion. Создается головокружительное множество других химикатов, включая цинк-воздух и натрий-ион. Большинство технологий преуспевают и стоят в пять раз дороже, чем цель JCESR в 100 кВт-ч-1.

Садовей, химик по материалам из Массачусетского технологического института, разрабатывает альтернативу с двумя слоями расплавленного металла в качестве электродов, разделенных по разной плотности и слоем электролита с расплавленной солью. Слои металла набухают или сжимаются при прохождении ионов между ними, сохраняя или выделяя энергию. Поскольку все жидкое, нет ничего, что могло бы треснуть после тысяч циклов, как могли бы твердые электроды.

Крэбтри, Дан и другие исследователи беспокоятся об энергии, необходимой для поддержания компонентов в расплавленном состоянии. Но Sadoway говорит, что процессы зарядки и разрядки сами производят достаточно тепла. Его компания Ambri в Марлборо, штат Массачусетс, планирует в этом году установить испытательные аккумуляторы на Гавайях и на военной базе на Кейп-Код, штат Массачусетс, каждый из которых будет поставлять десятки киловатт-часов.

Другие исследовательские группы занимаются менее радикальными проточными батареями, в которых топливо состоит из двух жидкостей, которые передают ионы друг другу через мембрану. Жидкости можно хранить в резервуарах вне батареи и подкачивать, чтобы они могли обтекать друг друга, когда это необходимо, поэтому можно накапливать большие объемы энергии бесконечно просто, используя большие резервуары. Но им нужны насосы и клапаны, которые, по словам Сэдоуя, потребуют технического обслуживания.

Коммерческие проточные батареи используют ионы ванадия в жидкости с обеих сторон барьера. Но ванадий и мембраны стоят дорого: крупнейшая в мире проточная батарея, установленная на ветряной электростанции в Китае, вероятно, стоит $ 1000 кВт · ч-1, оценивает Хуамин Чжан из Даляньского института химической физики Академии наук Китая. «Стоимость ванадия просто убивает вас», - говорит Майкл Азиз, специалист по материалам из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс.

В январе этого года команда, включая Азиза, объявила 4 что дешевые органические химические вещества, называемые хинонами, могут быть использованы в проточной батарее, соединенной со стандартным жидким электродом, таким как бром. Азиз ездил на велосипеде более 100 раз, и он по-прежнему работает. Он надеется, что сможет получить такие батареи ниже волшебных 100 кВт-ч -1, но «это игрушка в вытяжном шкафу в лаборатории прямо сейчас», говорит он. «Невозможно узнать истинную стоимость, пока вы не произведете ее массово».

Крабтри называет эту работу «многообещающей» и говорит, что JCESR также рассматривает органические химикаты для проточных батарей. Другой вариант, который он использует, заключается в использовании жидкого Li-S и твердого лития в наполовину проточной батарее.

«Сейчас рано: люди смотрят на действительно странные системы, и все пытаются выяснить, как увеличить срок службы и снизить затраты», - говорит Дан. JCESR, со своей стороны, надеется, что фундаментальные исследования могут заполнить пробелы и заставить эти технологии работать. «Вне литий-ионного пространства много возможностей, - говорит Крэбтри, - и в основном неисследованных».

Масло для амортизаторов автомобиля
Исправная работа амортизаторов – залог комфортной и более безопасной езды. При нехватке масла в этой детали подвески удлиняется тормозной путь, чаще требуется ремонт. Какое масло выбрать для амортизаторов?

Корейские масла для двигателя: что лучше выбрать
Начнем с того, что Южная Корея за последние два десятка лет попала в список признанных лидеров как в автомобилестроении, так и в сфере производства ГСМ. Сегодня оригинальные корейские моторные масла

Японские машинные масла - обзор и советы по выбору
Японские машинные масла хорошо зарекомендовали себя на отечественном рынке. Смазочные материалы, изготовленные в Японии, имеют достаточную вязкость для обеспечения нормальной работы моторов при низкотемпературном

Подбор масла по марке автомобиля: индекс и состав масла
Моторное масло – это неотъемлемый спутник любого двигателя автомобиля, вне зависимости от бренда производителя того или иного средства передвижения. Как известно, в процессе эксплуатации данный препарат утрачивает

Правильный подбор качественного моторного масла Shell для вашего автомобиля
Популярная смазка для мотора Современные технологии производства обеспечивают высокое качество масел Shell. Главное преимущество моторного смазочного материала компании – наличие действующих моющих

Подбор масла Мотюль (Motul) по марке автомобиля онлайн
или выберите категорию С помощью online-сервиса подбора моторных масел и других автомобильных жидкостей Motul вы с легкостью, и достаточно быстро сделаете правильный, а также качественный

Масло Comma
Компания Comma Oil & Chemicals Ltd была основана в ВЕЛИКОБРИТАНИИ в 1965 году. В настоящее время - это крупнейший производитель мирового класса в области автомобильных масел, автохимии и автокосметики.

Подбор масла по марке автомобиля
Правильно подобранные смазочные материалы продлевают срок службы важнейших узлов машины, улучшают их эксплуатационные характеристики, а также сокращают расходы на ремонт и обслуживание транспортного средства.

Подбор масла Кастрол по марке автомобиля. Важные советы!
Своим рождением, масло Кастрол обязано британской компании CC Wakefield Co, занимающей ныне лидирующие позиции на рынке. Когда-то, создание первой в мире присадки для моторного масла (1909 год), было чрезвычайным

Подбор масла Шелл по марке автомобиля и ТС
Что хочет получить каждый автолюбитель, который выбирает масло для своего автомобиля? Качество выбираемого продукта, который может обеспечить надежную защиту машины от поломок, экономию средств, как на

.