Ваша корзина

Обзор новых перспектив и технологий АКБ

 

Три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

 

1.Биоорганические аккумуляторы.

Израильская фирма «StoreDot». Революционные аккумуляторы на основе биоорганических молекул пептида.

Технология StroreDot, получившая название FlashBattery, использует слои наноматериалов и проприетарных органических соединений, которые никогда раньше не использовались в батареях. Компания также утверждает, что ее решение безопаснее, чем литий-ионные устройства, поскольку не пожароопасно и имеет более высокую температуру горения. Основной плюс – очень быстрая зарядка без ущерба для ресурса батареи. (электрокар – 5 минут заряда -480 км пробега) .

Привлечены крупные инвесторы в т.ч. Самсунг, ВР… Готов промышленный образец. Перспектива серийного производства 2022 год.

 

2.Твердотельные аккумуляторы.

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Hyundai

Компания отказывается от водородных топливных элементов и запускает тестовое производство батарей на твердотельных электролитах.

Сообщается, что Hyundai работает над батареями силами только собственных исследовательских центров. Компания не стала обращаться к популярным корейским производителям батарей таким как LG Chem, Samsung SDI или SK Innovation.

Считается, что твердотельные батареи имеют потенциал даже больший, чем литий-ионные. Такой тип аккумуляторов может обеспечить большую плотность энергии, а соответственно и большую дальность поездок для электромобилей, при этом они безопасны в использовании. Проблема в том, что пока нет компании которая начала бы их массовое производство и обеспечила бы цену, близкую к литий-ионным.

В технологию уже инвестировала Dyson. Компания приобрела мичиганский стартап Skati3, занимающийся твердотельными аккумуляторами, за $90 млн. Bosch также инвестировала в разработку таких батарей. Компания планирует разработать батарею емкостью 50 кВт-ч, которой будет хватать на 320+ км, а ее масса будет меньше 200 кг. Но Hyundai стал первым из крупных автопроизводителей, который всерьез заинтересовался технологией.

 

3.Батареи на атмосферном азоте. Китай.

Атмосферный азот состоит из двух атомов азота, соединенных сильной тройной ковалентной связью. Газ не разлагается при нормальных условиях, что было вызовом для ученых, которые хотели использовать его в качестве источника энергии.

Концепт работает, поворачивая вспять химическую реакцию, которая протекает в уже существующих литий-азотных батареях. Вместо того, чтобы генерировать энергию, разлагая нитрид лития, прототип делает обратное — заставляет литий взаимодействовать с азотом, образуя нитрид лития. Мощность такой батареи быстро сходит на нет, но сравнима с другими литиевыми аналогами.

Это многообещающее исследование в области аккумуляторных систем. Технология обеспечит фундаментальный и технический прогресс не только при создании батарей, само открытие передового цикла N2/Li3N для обратимой фиксации азота — большой прорыв для науки.

 

4.Литий воздушные батареи. (Работы ведутся в том числе в МГУ)

В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить.

Такие аккумуляторы могут накапливать в пять раз больше энергии, чем литий-ионные. И они смогут совершить революцию в производстве электромобилей, в основе которых сейчас лежат литий-ионные батареи.

Но на данный момент литий-воздушные батареи невозможно зарядить более, чем один раз. Если ученым удастся решить эту проблему, новый тип аккумуляторов станет ближе к практической реализации, и его можно будет запустить в производство. Ученые предполагают, что смогут получить прототипы не ранее, чем к 2020-2025 годам. Правда, пока еще трудно предположить, будут ли такие батареи дешевле, чем литий-ионные.

http://news.mit.edu/2016/new-lithium-oxygen-battery-greatly-improves-energy-efficiency-longevity-0725

 

5.Литий кислородные ячейки. МТИ.

Литий-кислородные аккумуляторы мало весят и производят много энергии и могли бы стать идеальными комплектующими для электромобилей. Но у таких батарей есть существенный недостаток — они быстро изнашиваются и выделяют слишком много энергии в виде тепла впустую. Новая разработка ученых из МТИ, Аргонской национальной лаборатории и Пекинского университета обещает решить эту проблему.

Созданные командой инженеров литий-кислородные аккумуляторы используют наночастицы, в которых содержится литий и кислород. При этом кислород при изменении состояний сохраняется внутри частицы и не возвращается в газовую фазу. Это отличает разработку от литий-воздушных батарей, которые получают кислород из воздуха и выпускают его в атмосферу во время обратной реакции. Новый подход позволяет сократить потерю энергии (величина электрического напряжения сокращается почти в 5 раз) и увеличить срок службы батареи.

Литий-кислородная технология также хорошо адаптирована к реальным условиям, в отличие от литий-воздушных систем, которые портятся при контакте с влагой и CO2. Кроме того, аккумуляторы на литии и кислороде защищены от избыточной зарядки — как только энергии становится слишком много, батарея переключается на другой тип реакции.

Ученые провели 120 циклов заряда-разряда, при этом производительность снизилась лишь на 2%, сообщает Science Daily.

Пока что ученые создали лишь опытный образец аккумулятора, но в течение года они намерены разработать прототип. Для этого не нужны дорогие материалы, а производство во многом схоже с производством традиционных литий-ионных батарей. Если проект будет реализован, то в ближайшем будущем электромобили будут сохранять в два раза больше энергии при той же массе.

 

6.Норвежская технология молниеносного заряда.

Двое норвежских ученых из Университета Осло - профессор Ола Нильсен и выпускник Кнут Бьярне Гандруд - заявили, что изобрели аккумулятор, который можно полностью зарядить за полсекунды. В эпоху электромобилей такая технология может стать настоящим прорывом, считает Clean Technica.

«Мы создали аккумулятор с самой быстрой зарядкой», — говорит Гандруд. — Его можно зарядить за полсекунды. Изначально мы думали, что это может быть хорошим решением для экологически чистых автобусов. Чтобы облегчить конструкцию, мы решили, что этим автобусам нужно столько энергии, сколько требуется, чтобы добраться от одной остановки до другой. А на каждой остановке он будет пополнять запас».

Для личного автотранспорта изобретение скандинавов, возможно, не подойдет. Другое дело — городские автобусы и тяжелые грузовики, которые часто делают остановки. Вместо того чтобы таскать с собой тонны батарей, водители могут просто подзаряжаться каждые пару миль на специальных станциях. С ростом цен на литий (из-за повышенного спроса и истощения запасов) эта технология может быть выгодной даже с учетом затрат на создание новой инфраструктуры заправочных пунктов.

«Сила нашего аккумулятора — в молниеносной скорости, но долго на нем не проедешь, — объясняет Гандруд. — Дальнейшие исследования могли бы объединить оба этих преимущества — скорость зарядки и дальность пробега. Но это сложно. Мы работали над своей батареей 4 года, прежде чем добились прорыва».

 

7.Графеновые автомобильные аккумуляторы

Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг

https://www.graphenano.com/

 

8.Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками

В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

https://news.uci.edu/2016/04/20/all-powered-up/

 

9.Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера

Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

https://phys.org/news/2015-12-scientists-microsupercapacitors.html

 

10.Натрий-ионные аккумуляторы.

Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

https://www.energie-rs2e.com/en/news/na-ion-batteries-promising-prototype

 

11.Пенные аккумуляторы

Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

https://www.prietobattery.com/how-it-works-2/foam/

 

12.Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости

Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

http://news.mit.edu/2015/yolks-and-shells-improve-rechargeable-batteries-0805

 

13. Алюминий-воздушный аккумулятор

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

http://jes.ecsdl.org/content/162/3/A288.full

 

14.Органический аккумулятор

В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

https://www.cbc.ca/news/technology/organic-battery-hailed-as-cheap-renewable-energy-solution-1.2489300

 

15.Нанокремниевые электроды.

Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

https://www.technotification.com/2014/07/Sand-to-power-battery.html

 

16.Гелеобразный анод

В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2f-95f0-4995-b5c0-10ae4c50c934