Мир ждет прорыв батареи. Почти каждый сектор электронной промышленности, все, что работает на батарее, ограничено выходной мощностью и сроком службы батарей, которые его используют.
Связанный контент
- Почему соль является наиболее ценным активом этой электростанции
- Вам никогда не придется подключать этот сотовый телефон без батареи
«Развитие или продвижение батарей намного медленнее, чем в других областях, и это является внутренним ограничением батарей», - говорит Стефано Пассерини, главный редактор журнала Power Sources . «Вы не можете ожидать, что батарея, которая может подавать энергию на мобильный телефон в течение недели или месяца. В самом конце максимальное количество энергии, которое вы можете хранить в батарее, определяется доступными элементами ».
Но прогресс есть. Исследователи работают над улучшением плотности энергии (сока на вес и объем), цены, безопасности, воздействия на окружающую среду и даже срока службы самого популярного класса литий-ионных аккумуляторов, а также над созданием совершенно новых типов.
Большинство аккумуляторов можно найти в трех основных отраслях: бытовая электроника, автомобильная промышленность и сетевое хранение.
«Я бы назвал их тремя большими группами, где люди пересекаются с батареями», - говорит Венкат Сринивасан, заместитель директора по исследованиям и разработкам в Объединенном центре исследований в области накопления энергии при Министерстве энергетики. Каждое ведро предъявляет разные требования, и поэтому используемые батареи могут (иногда) сильно отличаться друг от друга. Этот телефон в вашем кармане нуждается в компактной и безопасной батарее, но вес и стоимость менее важны. Масштабируйте до автомобильных аккумуляторов, и с таким количеством аккумуляторов важны стоимость и вес, а также срок службы цикла (вы были бы очень злы, если бы этой новой Tesla требовались новые батареи каждые пару лет). Увеличьте масштаб еще больше, и батареи, которые начинают использоваться для накопления энергии в домах и энергосистеме, предъявляют очень малые требования к весу или размеру.
В течение десятилетий бытовая электроника - ваш телефон, компьютер, камера, планшет, дроны, даже ваши часы - работали на литий-ионных батареях благодаря их легкой перезарядке и высокой плотности энергии. В этих батареях анодом образует решетка из графита, заполненная ионами лития. Оксид образует катод, соединенный с противоположным выводом, и оба они разделены жидким электролитом, который позволяет ионам проходить через него. Когда внешние клеммы подключены, литий окисляется и ионы поступают на катод. Зарядка как раз наоборот. Чем больше ионов лития может быть передано таким образом, тем больше энергии может удерживать аккумулятор. Мы по достоинству оценили компактный размер и простоту использования, если не срок службы батареи и безопасность. Но не может быть много места для дальнейшего улучшения, говорит Пассернини.
«Сейчас литий-ионные аккумуляторы близки к пределу», - говорит он. «Хотя мы уже говорили об этом около 10 лет назад, и улучшения за последние 10 лет были весьма существенными».
В случае автомобилей, аккумуляторы в конечном итоге ответственны за срок службы автомобиля и за страх перед дальностью действия, когда дело доходит до электромобилей. Чтобы решить эту проблему, инженеры и ученые пытаются втиснуть большую емкость напряжения в батареи. Но это часто связано с ошибочными химическими реакциями, которые со временем снижают производительность. Большое количество исследований посвящено поиску новых материалов и химикатов для помощи или замены литий-ионной решетки или других частей батареи.
Сринивасан указывает на пару потенциальных нововведений, и это касается не только автомобилей: традиционную графитовую анодную решетку можно заменить кремнием, в котором в 10 раз больше ионов лития. Но кремний имеет тенденцию расширяться, поскольку он поглощает литий, поэтому батареи должны будут это учитывать. Или: вместо решетки в качестве анода может выступать металлический литий - при условии, что мы сможем выяснить, как предотвратить его катастрофическое замыкание при перезарядке. Это проблема, которую производители батарей пытаются решить с тех пор, как литий-ионная батарея была изобретена десятилетия назад. «Мы очень надеялись, что мы находимся в то время, когда, возможно, эта 30-летняя проблема может быть снова решена», - говорит Шринивасан.
Возможно, литий можно заменить полностью. Исследователи ищут способы использовать вместо этого натрий или магний, а Объединенный центр исследований накопления энергии использует компьютерное моделирование для исследования материалов на основе оксидов, разработанных по индивидуальному заказу, которые могут работать в качестве катода для магниевого анода. Магний особенно привлекателен, потому что его структура позволяет ему принимать два электрона на атом, удваивая заряд, который он может удерживать.
Прашант Джейн и его сотрудники из Университета Иллинойса работают над другим аспектом литиевых батарей: электролитом. Электролит - это жидкость, которая заполняет пространство между катионом (положительно заряженный ион) и анионом (отрицательно заряженный ион), позволяя заряженным частицам протекать через них. Давно известно, что определенные твердые материалы, такие как селенид меди, также будут пропускать ионы, но не достаточно быстро для запуска мощных устройств. Джейн, доцент химии, и его ученики разработали суперионное твердое вещество, изготовленное из наночастиц селенида меди, которое обладает различными свойствами. Это позволяет заряженным частицам течь со скоростью, сравнимой с жидким электролитом.
Потенциальные преимущества этой технологии имеют два аспекта: безопасность и жизненный цикл. Если текущая литий-ионная батарея повреждена, она закорачивается и нагревается. Жидкость испаряется, и нет ничего, что могло бы предотвратить быстрый выброс энергии - бум. Твердое тело предотвратит это короткое замыкание и позволит использовать цельнометаллический анод, который обеспечивает большую энергетическую емкость. Кроме того, после повторных циклов жидкие электролиты начинают растворять катод и анод, и это является основной причиной того, что батареи в конечном итоге не заряжаются.
«Были все эти постепенные улучшения, которые на самом деле добились определенных успехов. Но никогда не было большого драматического прорыва, прорывной технологии, в которой сейчас можно сказать, что твердый электролит действительно соответствует потенциалу с точки зрения переноса ионов, которые жидкие электролиты [могут] », - говорит Джейн. «Теперь, когда проблемы безопасности выходят на первый план с жидкими электролитами, исследователи были похожи, может быть, нам нужно подумать о чем-то драматичном с твердыми электролитами и, раз и навсегда, создать такой, который может заменить жидкий электролит».
Джон Гуденоф, один из изобретателей литий-ионной батареи, разрабатывает батарею со стеклянным электролитом. (Школа Cockrell Engineering, Техасский университет в Остине) Один из соавторов оригинальной литий-ионной батареи сам делает еще один шаг к твердотельным электролитам: заслуженный профессор инженерных наук в Университете Техаса Джон Гуденоф опубликовал и подал патентную заявку на батарею со стеклом. электролит. Пропитывая стекло литием или натрием, Goodenough смог позволить току течь еще быстрее, предотвращая короткое замыкание и увеличивая энергоемкость с твердым анодом.
Все эти исследования будут влиять на батареи в наших карманах и автомобилях. Но есть третья категория, где последствия являются глобальными.
Мелани Санфорд использует инструменты моделирования для батарей другого типа - огромных батарей с окислительно-восстановительным потоком, которые будут накапливать энергию от возобновляемых электростанций и отдавать ее, когда ветер и солнце недоступны. Выравнивание пиков и впадин производства и потребления энергии поможет расширить масштабы использования возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить больше, чем просто дополнительную энергию.
Южная Калифорния Эдисон уже экспериментирует с банками аккумуляторов, используя автомобильные аккумуляторы Tesla, но поскольку эти батареи основаны на традиционных ионно-литиевых батареях, они слишком дороги для использования в масштабе, который позволит использовать возобновляемую энергию во всем мире. Кроме того, ограничения для батареи сетки сильно отличаются от автомобиля. Вес и размер не проблема, но цена и срок службы.
В батарее с окислительно-восстановительным потоком материал для накопления энергии удерживается в жидкой форме в больших резервуарах, а затем перекачивается в меньшую ячейку, где он реагирует с аналогичным устройством, имеющим противоположный заряд. Компьютерное моделирование позволило лаборатории Сэнфорда индивидуально проектировать органические молекулы, что привело к увеличению в несколько тысяч раз, от дня до месяцев, количества времени, в течение которого эти молекулы остаются стабильными.
«Что касается источника в масштабе сетки, то вам нужны очень дешевые материалы, потому что мы говорим об огромных батареях», - говорит Сэнфорд. «Мы говорим о ветровой электростанции, а затем о сравнимой площади складов с этими батареями».
По словам Сэнфорда, инновации будут исходить как от материаловедения - разработки новых материалов для установки наших батарей - так и от инженеров, которые сделают системы, построенные на этих материалах, более эффективными. И то, и другое будет необходимо, но переход от исследований к производству обязательно станет еще одним узким местом.
«Все должны знать, что нет одной батареи, которая могла бы соответствовать всем приложениям», - говорит Пассерини. «Понятно, что даже немножко - 10%, 20% производительности - это большая проблема. Нам нужно провести исследования в этой области. Ученых нужно поддерживать ».
