Новейшие технологии накопления электроэнергии

Ноутбуки, смартфоны, электромобили — для увеличения мобильности требуются все более мощные аккумуляторы.

Производители автомобилей, ноутбуков, смартфонов — все заняты активным поиском возможностей сохранения большего количества энергии в меньшем объеме. При этом, несмотря на различные требования, между автомобилями и ноутбуками можно провести некоторые параллели. Например, спортивный электрокар Roadster американской компании Tesla Motors приводится в действие от аккумуляторов типа «18650». Речь идет о литий-ионных элементах питания, разработанных для ноутбуков, размером 18х65мм.

Для батареи электромобиля Tesla Roadster потребовалось параллельно подключить 6831 такой элемент. Получившийся аккумулятор весит 450 кг и хранит 56 кВт·ч энергии, которой ему хватает, чтобы преодолеть расстояние до 340 км.

Энергетическая плотность: средоточие мощи

Тенденции будущего очевидны уже сегодня: аккумуляторы должны стать меньше, легче и накапливать больше энергии. Для достижения этой цели во всем мире проводятся научные исследования. Результатом стало появление ряда концепций, предусматривающих сохранение энергии, например, с помощью нанотехнологий и даже вирусов.

Отправной точкой для всех идей служат распространенные в настоящее время литий-ионные аккумуляторы.

Сегодня именно такие батареи обеспечивают наивысшую энергетическую плотность, то есть позволяют хранить больше всего энергии на единицу массы. Для сравнения: устаревший никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) обладает энергетической плотностью приблизительно в 40 Вт·ч/кг, тогда как в литий-ионном (Li-Ion) данный показатель может составлять от 100 до 245 Вт·ч/кг. К тому же последний не страдает от «эффекта памяти», то есть не теряет свою емкость, если был заряжен после неполной разряженности. Но при этом ячейки литий-ионных аккумуляторов обеспечивают всего лишь около 1000 циклов зарядки/разрядки, после чего их емкость снижается на 20–50%.

Несмотря на то что постоянно разрабатываются новые концепции, все аккумуляторные технологии объединяло и будет объединять одно: в процессе зарядки в любой батарее электрическая энергия преобразуется в химическую. Во время разряжения имеет место обратная реакция: аккумулятор превращает накопленную им химическую энергию в электрическую.

Количество энергии, которое он может хранить, зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита. В литиевых батареях электрод выполнен на основе литиевого соединения, в других — состоит, как правило, из графита с ионами лития. Электролит — это жидкость на основе литиевых солей, не содержащая воды.

Благодаря научным исследованиям энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторов постоянно повышалась. Для этого, в частности, изменялся состав электролита. Однако нередко приходилось сталкиваться с неприятными побочными явлениями.

Ввиду того что в процессе зарядки/разрядки данная жидкость выделяет тепло, она может закипеть и стать причиной взрыва ячейки. История знает несколько примеров пожароопасных ноутбуков и склонных к детонации аккумуляторов мобильных телефонов.

Поэтому в конце 2010 года компания Toyota — пионер в области гибридных автомобилей — представила прототип нового литиевого аккумулятора на основе твердого вещества. Электроды в нем состоят из графита и оксидов лития и кобальта, а твердый электролит использует сульфиды и обладает устойчивостью к высоким температурам. За счет этого, в отличие от литиевых аккумуляторов для автомобилей, элементы данной батареи не требуют активного охлаждения.Однако проблема лития заключается в том, что ему категорически противопоказан контакт с водой, в том числе влажным воздухом. Поэтому преимущество в энергетической плотности может быть сведено на нет необходимостью обработки последнего. Исследователи планируют, что серийное производство подобных аккумуляторов начнется не ранее 2014–2015 годов.

Литиевая технология: не все возможности исчерпаны

Материал электродов также может быть изменен. В различных опытах вместо графита в них используют, например, кремний, что позволяет повысить аккумулирующую способность в несколько раз. Здесь фантазия не знает границ. Так, компания IBM в сотрудничестве с Сент-Эндрюсским университетом Шотландии разработала литий-кислородный аккумулятор, энергетическая плотность которого выросла в десятки раз по сравнению с традиционными литиевыми батареями. Этот «воздушный» аккумулятор использует привычный электрод из лития, однако в качестве второго служит пористая углеродная мембрана, которая наполняется кислородом из окружающего воздуха, вступающим в реакцию с литием.

Электроды: больше площадь реакции

Другим способом повышения плотности энергии является увеличение площади электродов.

Захватывающую технологию, предусматривающую использование в аккумуляторах биологических вирусов, разработала группа ученых из Мэрилендского университета.

Ее суть заключается в следующем. На электроды наносят трубчатые вирусы табачной мозаики (с некоторых пор они пользуются особой популярностью у ученых, проводящих исследования в области нанотехнологий) и покрывают их слоем металла.

В результате получается электрод с очень большой площадью поверхности, что увеличивает емкость аккумулятора в несколько раз. Вирусы служат в качестве «литейной формы» для наноструктуры и в дальнейшем не участвуют в химических процессах. Результаты впечатляют: емкость «зараженного» аккумулятора оказывается в шесть раз больше, чем у аналогичных «здоровых» моделей.

Исследователи из Политехнического института Ренсселира американского штата Нью-Йорк под руководством профессора Нихила Кораткара используют классические нанотехнологии. Они покрывают электроды мельчайшими элементами на основе кремния, получившими название nanoscoops («наночашки»). «Чашки» имеют конусообразную форму и в процессе зарядки/разрядки могут растягиваться и сжиматься без ущерба для себя. Благодаря этому они легко противостоят механическим нагрузкам, возникающим вследствие поглощения ионов лития в процессе зарядки и их высвобождения в процессе разрядки.

Тонкие, как бумага: печатные аккумуляторы

То, что важно для электромобилей и, несомненно, будет полезно для ноутбуков и смартфонов, — это более высокая по сравнению с современными аккумуляторами скорость зарядки. В Массачусетском технологическом институте ученые Биоунгву Кэнг и Гербранд Цедер разработали литий-железо-фосфатную батарею, которая способна заряжаться менее чем за минуту без ущерба для себя вследствие перегрева. Опыт производства аккумуляторов на основе тех же материалов есть и у Sony. Будет ли данная технология быстрой зарядки когда-либо использоваться в ноутбуках, остается вопросом. Пока литий-железо-фосфатные аккумуляторы обеспечивают меньшую энергетическую плотность, чем литий-ионные. Однако подобные быстро заряжаемые решения используются в авиамоделях, где большая емкость не столь существенна.

Помимо увеличения плотности энергии ученые планируют внести изменения в конструкцию и технологии производства аккумуляторов. Одним из примеров являются «печатаемые батареи», разработанные в 2009 году Фраунгоферовским институтом электронных наносистем совместно с Хемницким техническим университетом. Такие аккумуляторы весят менее грамма, а их толщина не превышает миллиметра. Толщина литий-полимерного аккумулятора, разработанного японской компанией Advanced Materials Innovation Center (AMIC), составляет всего полмиллиметра. Размещать такие тонкие аккумуляторы планируется на тыльной стороне солнечных батарей или очень тонких дисплеев на основе электронной бумаги.

В Швеции группа исследователей проводит испытания решений на основе водорослевой целлюлозы. Благодаря структуре водорослей и специальному покрытию удалось получить аккумулятор с более совершенными характеристиками. Его энергетическая плотность в несколько раз ниже, чем в традиционных моделях, зато на основе подобного накопителя энергии могут изготавливаться текстильные изделия или бумажные упаковки. Подобным путем можно даже получить обои, способные накапливать энергию.

Мобильный бум: спрос растет

Прорыв в сфере мобильной электроники, скорее всего, приведет к литиевому буму, к которому уже готовятся биржи всего мира. Эксперты предупреждают о грозящем дефиците лития, который может стать причиной стремительного роста цен на него.

В любом случае разумное применение аккумуляторов подразумевает также наличие соответствующей инфраструктуры. Если удастся добиться высокой скорости зарядки, можно будет смириться с тем, что увеличить емкость аккумуляторов практически невозможно. При этом будут необходимы повсеместно доступные «заправочные» станции как для мобильных телефонов и ноутбуков, так и автомобилей.

Прогресс заряда

Аккумулятор разряжается без посторонней помощи, а вот для зарядки пока еще по-прежнему нуждается в розетке. Но в скором времени можно будет обходиться без нее.

Единый стандарт. Для начала хорошая новость: неразберихе со штекерами мобильных телефонов, смартфонов и MP3-плееров скоро будет положен конец. На смену множеству разъемов зарядных устройств приходит micro-USB — он уже принят в Европе в качестве единого стандарта. Что касается ноутбуков, то здесь все останется по-прежнему. Различные модели, начиная с нетбуков и заканчивая мощными лэптопами класса «замена ПК», отличаются по типу аккумуляторов и уровню энергопотребления.

Беспроводная зарядка. Вскоре мы сможем заряжать устройства без подключения кабеля. Уже существуют зубные щетки, которые не нуждаются в розетке и подзаряжаются с помощью электромагнитной индукции. В будущем данный принцип будет применим и к смартфонам, ноутбукам и электромобилям. Сегодня такие устройства, как Powermat (www.powermat.com) или WildCharge (www.wildcharge.com), позволяют зарядить смартфон, просто поместив его на специальную поверхность. Правда, придется приобрести особый чехол, в который поступает заряд и затем передается на аккумулятор смартфона.

На бумаге уже существуют системы, которые направляют кинетическую энергию людей, танцующих на дискотеке, на подзарядку мобильных телефонов.

Компания Brother представила элементы типоразмера AA и AAA, которые можно заряжать с помощью тряски, — данный принцип уже давно используется в инерционных карманных фонарях.

Солнечная энергия. Некоторые компании разработали ноутбуки, способные работать только от солнечной энергии, а Apple уже запатентовала технологию питания лэптопов от солнечной батареи. Samsung представила E1107 — первый мобильный телефон, работающий на основе аналогичного элемента. Накопители солнечной энергии можно также приобрести отдельно: внешние панели в карманном исполнении предлагает, например, компания FSP.

Альтернатива: мини-электростанции

Топливный элемент пережил свое второе рождение и становится ключевой технологией в сфере электроники. Что такого особенного в экологичной супербатарее? Как и двигателю внутреннего сгорания, топливному элементу требуется горючее, которое в результате химических реакций выделяет энергию.

Для «дозаправки», как правило, используется водород. Он вступает в реакцию с кислородом, побочным продуктом которой является безопасная для окружающей среды вода. В свое время топливные элементы использовались даже в ходе пилотируемых космических полетов на Луну по программе NASA «Аполлон». Начинает меняться и ситуация в сфере личного автотранспорта. Toyota уже запустила малое серийное производство автомобилей с маркировкой «FCHV» на топливных элементах. У Mercedes есть легковые автомобили B-класса, использующие аналогичную технологию под названием Fuel Cell. В ходе кругосветного путешествия («Вокруг света за 125 дней»), начавшегося 30 января, Mercedes намерена доказать, что она пригодна для повседневного использования. Однако такие автомобили смогут достичь серийной зрелости лишь к 2015 году.

Сотовый на топливе. Звучит заманчиво: достаточно вставить в смартфон или ноутбук запасной водородный картридж — и можно продолжать работу.

Подобные устройства были анонсированы еще в 2003 году, но до сих пор их нет в продаже. Технология еще слишком сложна в применении, и одной из проблем является сильный нагрев топливного элемента в процессе работы. В перспективе данная технология позволит в значительной степени упростить конструкцию аккумуляторов. В отличие от нынешних моделей, они не будут нуждаться в отдельных конденсаторных блоках, которые накапливают и отдают энергию при пиковых нагрузках.

Мощная батарея в дорогу. Впервые применение топливному элементу было найдено во внешнем зарядном устройстве, которое позволяет, например, заряжать в поездках небольшие электронные гаджеты.

Для этих целей в продаже уже имеется водородное решение Horizon MiniPAK стоимостью $99 (2900 руб./790 грн.). По размерам этот элемент питания сопоставим с мобильным телефоном 80-х годов и обеспечивает мощность в 2 Вт (400 мА, 5 В).

Зарядка сменных водородных картриджей осуществляется с помощью специального устройства, расщепляющего воду на кислород и водород.