Современные батареи: Купить дизайнерские радиаторы в Москве, каталог дизайн-батарей

Подробнее о разновидностях

Замена батареи в квартире — процесс достаточно ответственный, поэтому к его реализации необходимо подойти, учитывая различные нюансы и технические характеристики оборудования.

Для начала определимся, радиаторы какой конструкции лучше впишутся в интерьер вашего дома. Они бывают:

• панельные. Представляют собой цельную конструкцию, без деления на секции. Имеют конвекционные отверстия, позволяющие производить достаточно быстрый нагрев комнаты;
• секционные. Как следует из названия, такие приборы состоят из секций. Их основное преимущество – допустимость увеличения мощности обогрева благодаря возможности присоединения дополнительных секций
• трубчатые. Основа конструкции – стальной сердечник с рассеивающими пластинами. Детали такого типа радиатора сварены между собой, поэтому перед покупкой нужно точно знать необходимую мощность обогрева.

Наиболее часто встречающийся вариант в квартирах – секционное отопительное оборудование, так как панели могут не выдержать скачка давления в системе, а своеобразный внешний вид трубных батарей подойдет далеко не к каждому стилю, в котором оформлено помещение.

Основными требованиями при выборе и замене батарей отопления являются: их показатели теплоотдачи, способность перенести высокую нагрузку центральной системы (давление до 15 атм.), презентабельный внешний вид, приемлемая стоимость, хорошее качество и износоустойчивость.

Для этого необходимо разобраться, какой материал используется для изготовления радиаторов, и изучить их основные свойства, в зависимости от применяемого в производстве сырья.

Алюминиевые конструкции отличает привлекательный внешний вид и хорошая теплоотдача. Но при покупке данного вида необходимо заострить внимание на наличие во внутренней полости специального полимерного покрытия, которое продлевает срок эксплуатации и защищает от неблагоприятного влияния теплоносителя.

Стальные батареи привлекают невысокой стоимостью, однако такой вариант лучше всего подойдет для частных домов, высокое давление в системе централизованного отопления может нанести серьезный вред изделию и значительно уменьшить срок его службы.

Чугунные радиаторы неприхотливы в использовании, имеют высокую прочность, износоустойчивы, не подвержены изменению своего качества при контакте с теплоносителем. Существенный недостаток этого материала – низкая теплоотдача. Так же существует ограничение на их установку в высотках, имеющих более девяти этажей.

Лучшие батареи отопления для квартиры – биметаллические. Такой вариант считается самым оптимальным за счет совмещения основных преимуществ стальных и алюминиевых радиаторов: сердцевина из стали обеспечивает устойчивость к высокому давлению, а корпус из алюминия – максимально возможную теплопроводность.

Медные радиаторы обладают высоким коэффициентом полезного действия, не боятся гидроударов, отличаются большой прочностью, не подвержены коррозии, имеют большой срок службы. Эти современные варианты имеют стильный дизайн, что позволит сделать их украшением любой комнаты.

Особенность, не позволяющая начать массовую установку батарей с такими прекрасными характеристиками в квартиры – их очень высокая стоимость.

Для справки, наиболее бюджетными вариантами являются чугунные и алюминиевые конструкции, изделия из стали и биметалла входят в среднюю ценовую категорию. Самые дорогие, обогреватели премиум–класса: медные.

Полезные советы

Собравшись менять батареи в квартире, обязательно узнайте и запомните, какими техническими характеристиками должен обладать отдельный радиатор для каждой комнаты.

Обратите внимание на то, чтобы отопительное оборудование:

• было способно выдержать возможные гидроудары, скачки давления в центральной системе, без деформации и разгерметизации;
• обладало устойчивостью к теплоносителю, содержащимся в нем агрессивным веществам;
• имело максимальную нагревательную способность;
• обеспечивало необходимую для обогреваемой площади теплоотдачу.

Подбирая лучшие батареи для своей квартиры, обязательно заострите внимание на следующих нюансах:

• производительность;
• выдерживаемое давление;
• качество теплоносителя.

Если вы затрудняетесь с расчетом необходимой для вашего дома мощности изделия, то просто остановите выбор на радиаторе отопления с производительностью, идентичной ранее установленному. Превышение тепловой мощности незаконно.

Если радиатор выдерживает максимальное давление до 15 атм., то такое оборудование можно устанавливать в квартире. Оно гарантированно выдержит все возможные скачки и гидроудары в системе.

Теплоноситель – это вода, которая подается в отопительную систему. В неё добавляют различные агрессивные вещества, которые с течением времени образуют накипь, и под её воздействием может начаться разъедание металла и батарея начнет течь. В связи с этим в многоквартирных домах рекомендуется устанавливать радиаторы, устойчивые к теплоносителю.

Подключение радиатора отопления

Установка батареи, в соответствии с правилами и существующими ограничениями градообразующих предприятий, должна производиться специальными организациями, которые имеют право и разрешение на проведение работ в системах отопления.

Монтаж новых конструкций должен быть произведен специалистом, для этого необходимо обратиться на предприятие, обслуживающее ваш дом, и вызвать квалифицированного мастера.

Обратите внимание, отопительное оборудование должно оставаться на старом месте, так как схема подключения радиаторов зафиксирована в документах. При самовольном переносе батарей в будущем возникнут большие сложности при продаже квартиры.

Наиболее благоприятное время года для замены радиаторов – лето, так как слив воды из системы, необходимый для проведения таких работ, возможен только в неотопительном сезоне.

Замена батарей в квартире – ответственный процесс, требующий особого внимания и точности. Экономить на этом не стоит, чтобы не получить в холодное время года неприятный сюрприз, в виде ледяных радиаторов.

Подойдите к этому вопросу разумно, при необходимости проконсультируйтесь со специалистами, и только после полной уверенности в своем выборе приступайте к работам.

Фото батареи в квартиру

Какие батареи лучше выбирать для отопления дома?

Даже несмотря на внешнюю схожесть многих моделей отопительных батарей, они могут обладать разным коэффициентом теплоотдачи, ценой и другими немаловажными параметрами. Всё зависит от материалов, используемых в изготовлении прибора, особенностей его конструкции, способа монтажа и внутреннего объёма радиатора. Поэтому чтобы выяснить какие батареи отопления для дома лучшие, нужно рассмотреть по отдельности основные модели, представленные на современном рынке.

Критерии выбора типа отопительной батареи

Преимуществом частного домостроительства является возможность расчёта и установки автономного отопления исходя из предпочтений и нужд домовладельца. Поэтому выбор лучшего радиатора для отопления частного дома намного проще, чем приобретение батареи в квартиру многоэтажного строения, подключённую в централизованную тепловую магистраль. При этом автономные системы отопления обладают целым рядом преимуществ:

• работа отопления при минимальном давлении в благоприятных эксплуатационных условиях;
• отсутствие сильных гидроударов как в случае с централизованным отоплением, что в значительной мере расширяет ассортимент подходящих радиаторов;
• если в отопительной системе используется теплоноситель со сбалансированными кислотными характеристиками, то ограничений по выбору радиатора для отопления частного дома просто не существует.

Для автономных отопительных систем частного домостроения выбор подходящей отопительной батареи должен, основывается на максимальном коэффициенте теплоотдачи, которым обладают практически все современные радиаторы. Поэтому какую батарею – чугунную, биметаллическую, алюминиевую, стальную или медную выбрать для отопления дома индивидуальный выбор домовладельца. Но всё же некоторые нюансы данного вопроса нужно знать.

Чугунная отопительная батарея

Такое устройство долго сохраняет внутри себя с аккумулированное тепло в случае аварийного отключения центрального теплоснабжения. Ей не страшно повышение давления, гидроудар или некачественные теплоносители. Даже вода с большим содержанием щелочи, ржавчиной и пробками воздуха не наносят большого вреда чугунному радиатору, чего не скажешь о других батареях. При этом такое изделие имеют сравнительно невысокую стоимость.

Из недостатков радиаторов из чугуна хочется отметить их внешнюю непривлекательность, большой вес и высокий уровень инерционности, который делает невозможным их использование в отоплении с терморегуляцией. Хотя внешнюю составляющую прибора уже давно решили, выпуская модели в ретро стиле с отделкой под медь и другие благородные металлы. Благодаря этому такой элемент системы отопления превратился в дизайнерский объект любого интерьера.

Отопительный радиатор из алюминия

Прежде чем остановить выбор на алюминиевом радиаторе для отопления частных домов нужно знать некоторые особенности выбора и эксплуатации такого устройства.

1. Радиаторы из алюминия очень чувствительны к параметрам используемого теплоносителя. Если не соблюсти уровень содержания кислотно-щелочных примесей в воде, циркулирующей по батареям, то это может привести к их разрушению.
2. Из-за высокой тепловой мощности алюминиевого радиатора происходит быстрое поднятие тёплых воздушных потоков вверх, что приводит к ощутимой разнице температур между полом и потолком. Поэтому чтобы на уровне пола в отапливаемой комнате была комфортная тёплая температура важно уесть данную особенность при подсчёте количества секций батареи в зависимости от площади помещения.

Сравнительно невысокая стоимость, привлекательный внешний вид и максимальный уровень теплоотдачи – основные критерии популярности алюминиевых радиаторов отопления для частных домов. Если правильно выбрать и установить батарею из алюминия она прослужит на протяжении достаточно длительного срока, качественно прогревая комнаты в доме.

Батареи из стали для отопления частного дома

• небольшая цена не в ущерб хорошему коэффициенту теплоотдачи;
• высокая устойчивость к воздействию некачественного теплоносителя;
• большой эксплуатационный ресурс;
• простота установки и небольшой вес.

Если рассматривать недостатки стальной батареи, то хочется отметить следующие проблемы:

• не самый привлекательный внешний вид, хотя это элемент отопительной системы, а не дизайнерский объект;
• необходимость регулярной промывки стальной батареи не реже 1 раза каждые 3 года;
• важно чтобы стальной радиатор всегда был полностью заполнен теплоносителем, иначе из-за образования ржавчины устройство быстро придёт в негодность.

Принцип работы стальной панельной батареи основан на конвекции и излучении тепловой энергии.

Теплоотдача происходит как непосредственно через стальную поверхность изделия, так и сквозь решетчатый корпус в верхней части прибора. Если рассматривать показатели рабочего давления, то стальные батареи выдерживают до 16 атмосфер, что напрямую зависит от толщины используемого в изготовлении материала. Максимальные температуры, которые выдерживает такой элемент отопления, могут достегать 110° С.

Биметаллическое устройство – современная и практичная батарея

Если рассматривать конструкции биметаллического изделия, то она включает в себя стальные трубы и рёбра из алюминия. Такую батарею, можно использовать как в домах частного сектора, так и многоквартирных постройках с централизованной отопительной системой. Циркуляция теплоносителя в таком устройстве из цельнотянутых труб происходит таким образом, что структура металла не разрушается из-за коррозии.

Биметаллическая батарея способствует равномерному распределению тепла турбулентным способом, что уравнивает разницу температур между полом и потолком помещения. Достоинством такого устройства считается длительный эксплуатационный срок до 20 лет. На прилавках магазинов представлены радиаторы, окрашенные в разные цвета, что позволяет подобрать устройство в соответствии с дизайном дома. При этом современные изделия в отличие от чугунных аналогов не требуют регулярного восстановления лакокрасочного покрытия.

Единственным, но достаточно весомым недостатком такого отопительного прибора является его высокая стоимость. Помимо этого биметаллические батареи могут забиваться шлаком и не переносят большого содержания воздуха в теплоносителе. Плюс ко всему в месте спайки двух разных металлов в значительной мере снижается коэффициент отдачи тепла в окружающую среду помещения.

Медный радиатор для отопительной системы дома

Обладая минимальным уровнем инерционности, медная батарея обеспечивает самый быстрый нагрев комнат в доме. Такие радиаторы вмещают в себя минимальный объём теплоносителя, что позволяет им прогреваться за несколько минут. Благодаря такому незначительному объёму воды нет необходимости нагревать большое количество теплоносителя, что сказывается на экономичности автономной отопительной системы частного дома, чего нельзя добиться в случае установки чугунных батарей.

Медь достаточно пластичный и устойчивый к воздействию коррозии материал, который не изнашивается под воздействием некачественного теплоносителя как в случае с алюминиевым аналогом. А благодаря высокой эффективности при минимальных температурах медная батарея могла бы стать лучшим выбором для любой системы отопления. Но из-за очень высокой стоимости такого изделия оно не нашло широкого распространения среди потребителей.

На каком изделии остановить свой выбор?

Изучив основные характеристики большинства популярных моделей радиаторов можно определиться, какая батарея лучше для отопления дома. Но всё же прежде чем купить ту или иную модель нужно определиться с некоторыми моментами.

1. В централизованных тепловых сетях, которые присуще многоквартирным домам, как и несколько десятилетий назад оптимальным вариантом обогрева комнат считается чугунная батарея. Ей не страшна вода плохого качества, она не боится перебоев в теплоснабжении и прослужит на протяжении длительного срока.
2. Альтернативой чугунному изделию в многоэтажном доме является биметаллическая батарея отопления.
3. Если рассматривать автономные закрытые отопительные системы частных домов, то здесь выбор лучшего радиатора ничем не ограничен. В закрытой системе отопления нет высокого давления теплоносителя, который проходит предварительную подготовку перед заливкой в трубопровод. Поэтому с учётом цены и качества для отопления частного дома подойдут алюминиевые радиаторы.
4. Качественной заменой алюминиевому изделию является стальной аналог. Обладая немного меньшим коэффициентом теплоотдачи, стальное изделие для обогрева комнат в доме имеет небольшой вес, низкую инерционность, привлекательный внешний вид и доступную цену.
5. Неплохой вариант для всех систем отопления – медная батарея. Но покупка такого изделия упирается в очень высокую стоимость радиатора.

Ознакомившись с тем, что представляют собой различные радиаторы отопления. Какой лучше прибор выбрать для обогрева частного дома, выяснить не составит особого труда. Если всё же останутся сомнения, то всегда можно получить рекомендации специалистов, которые не только помогут выбрать подходящую отопительную батарею, а и выполнят её монтаж.

Радиаторы и батареи отопления. Большой ассортимент, помощь в рассчете

Как купить батареи отопления в «Tavago»?

Подбирая радиаторы отопления, нужно обращать внимание на показатели тепловой мощности, рабочее давление и тип устройства.

Конечно, далеко не каждый покупатель в состоянии истолковать для себя номинальные значения этих показателей. Не беспокойтесь: мы проконсультируем по всем возникающим вопросам, поможем выбрать и купить батареи отопления с оптимальным потенциалом. Просто позвоните нам по телефону в Москве +7 (495) 777-67-22, и озвучьте Ваши пожелания.
 

Монтаж радиаторов отопления из алюминия и биметалла.

Монтаж радиаторов отопления из алюминия, как правило, производится в рамках автономной системы отопления — в частных домах, офисах, на складах, где имеется своя котельная.

Заряд в секундах, в последние месяцы

(Pocket-lint). Хотя смартфоны, умные дома и даже умные носимые устройства становятся все более совершенными, они все еще ограничены мощностью. Аккумулятор не совершенствовался десятилетиями. Но мы находимся на пороге революции власти.

Крупные технологические и автомобильные компании слишком хорошо осведомлены об ограничениях литий-ионных аккумуляторов. В то время как чипы и операционные системы становятся более эффективными для экономии энергии, мы все еще рассматриваем только один или два дня использования смартфона, прежде чем потребуется подзарядка.

Хотя может пройти некоторое время, прежде чем мы сможем прожить неделю жизни наших телефонов, разработка идет хорошо. Мы собрали все лучшие открытия в области аккумуляторов, которые могут быть с нами в ближайшее время, от беспроводной зарядки до сверхбыстрой 30-секундной подзарядки. Надеюсь, скоро вы увидите эту технологию в своих гаджетах.

Структурные батареи могут привести к созданию сверхлегких электромобилей

Исследования, проведенные в Технологическом университете Чалмерса, уже много лет рассматривают возможность использования батареи не только для питания, но и в качестве структурного компонента.Преимущество этого предложения состоит в том, что продукт может уменьшить количество структурных компонентов, потому что батарея обладает достаточной силой для выполнения этих задач. Используя углеродное волокно в качестве отрицательного электрода, а в качестве положительного — фосфат лития-железа, последняя батарея имеет жесткость 25 ГПа, хотя есть еще кое-что, чтобы увеличить энергоемкость.

Электрод из углеродных нанотрубок с вертикальной ориентацией

Компания NAWA Technologies разработала и запатентовала сверхбыстрый углеродный электрод, который, по ее словам, изменил правила игры на рынке аккумуляторов.В нем используется конструкция с вертикально расположенными углеродными нанотрубками (VACNT), и NAWA заявляет, что он может увеличить мощность батареи в десять раз, увеличить запас энергии в три раза и увеличить срок службы батареи в пять раз. Компания считает, что электромобили являются основным бенефициаром, сокращая углеродный след и стоимость производства аккумуляторов, одновременно повышая производительность. NAWA заявляет, что дальность действия 1000 км может стать нормой, а время зарядки сокращено до 5 минут, чтобы достичь 80 процентов. Технология может быть запущена в производство уже в 2023 году.

Литий-ионная батарея без кобальта

Исследователи из Техасского университета разработали литий-ионную батарею, в которой в качестве катода не используется кобальт. Вместо этого он переключился на высокий процент никеля (89 процентов), используя марганец и алюминий в качестве других ингредиентов. «Кобальт — наименее распространенный и самый дорогой компонент в катодах аккумуляторных батарей», — сказал профессор Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения Уолкера и директор Техасского института материалов.«И мы полностью устраняем это». Команда говорит, что с помощью этого решения они преодолели общие проблемы, обеспечив длительный срок службы батареи и равномерное распределение ионов.

SVOLT представляет батареи для электромобилей, не содержащие кобальт.

Несмотря на то, что свойства электромобилей по снижению выбросов являются широко признанными, все еще существуют разногласия по поводу аккумуляторов, особенно по поводу использования таких металлов, как кобальт. Компания SVOLT, штаб-квартира которой находится в Чанчжоу, Китай, объявила о производстве безкобальтовых батарей, предназначенных для рынка электромобилей.Помимо сокращения содержания редкоземельных металлов, компания заявляет, что они обладают более высокой плотностью энергии, что может привести к дальности действия до 800 км (500 миль) для электромобилей, а также продлить срок службы батареи и повысить безопасность. Мы не знаем, где именно мы увидим эти батареи, но компания подтвердила, что работает с крупным европейским производителем.

На шаг ближе к литий-ионным батареям с кремниевым анодом

Стремясь решить проблему нестабильного кремния в литий-ионных батареях, исследователи из Университета Восточной Финляндии разработали метод производства гибридного анода. , используя микрочастицы мезопористого кремния и углеродные нанотрубки.В конечном итоге цель состоит в том, чтобы заменить графит в качестве анода в батареях и использовать кремний, емкость которого в десять раз больше. Использование этого гибридного материала улучшает характеристики батареи, в то время как силиконовый материал устойчиво производится из золы ячменной шелухи.

Литий-серные аккумуляторы могут превзойти литий-ионные, снизить воздействие на окружающую среду

Исследователи из Университета Монаша разработали литий-серные аккумуляторы, способные питать смартфон в течение 5 дней, превосходя литий-ионные.Исследователи изготовили эту батарею, имеют патенты и интерес производителей. У группы есть финансирование для дальнейших исследований в 2020 году, заявив, что дальнейшие исследования автомобилей и использования сетей будут продолжены.

Утверждается, что новая аккумуляторная технология оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем литий-ионные, и снижает производственные затраты, при этом предлагая потенциал для питания автомобиля на 1000 км (620 миль) или смартфона в течение 5 дней.

Аккумулятор IBM получен из морской воды и превосходит по своим характеристикам литий-ионный

IBM Research сообщает, что они обнаружили новый химический состав аккумуляторов, который не содержит тяжелых металлов, таких как никель и кобальт, и потенциально может превзойти литий-ионные.IBM Research утверждает, что этот химический состав никогда раньше не использовался в комбинации в батарее и что материалы можно извлекать из морской воды.

Производительность батареи многообещающая, при этом IBM Research заявляет, что она может превзойти литий-ионные в ряде различных областей — это дешевле в производстве, она может заряжаться быстрее, чем литий-ионная, и может иметь как более высокую мощность. и плотности энергии. Все это доступно в аккумуляторе с низкой горючестью электролитов.

IBM Research отмечает, что эти преимущества сделают ее новую технологию аккумуляторов подходящей для электромобилей, и она работает с Mercedes-Benz, в частности, над превращением этой технологии в жизнеспособную коммерческую батарею.

Система управления батареями Panasonic

В то время как литий-ионные батареи повсюду и их число растет, управление этими батареями, включая определение того, когда у них закончился срок службы, затруднено.Panasonic, работая с профессором Масахиро Фукуи из Университета Рицумейкан, разработала новую технологию управления батареями, которая упростит мониторинг батарей и определение остаточной стоимости литий-ионных в них.

Panasonic заявляет, что ее новую технологию можно легко применить с изменением системы управления батареями, что упростит мониторинг и оценку батарей с множеством ячеек, которые можно найти в электромобиле. Panasonic сообщает, что эта система поможет продвинуться в направлении устойчивого развития, поскольку сможет лучше управлять повторным использованием и переработкой литий-ионных аккумуляторов.

Асимметричная модуляция температуры

Исследования продемонстрировали метод зарядки, который приближает нас на шаг ближе к сверхбыстрой зарядке — XFC — который направлен на пробег 200 миль электромобиля примерно за 10 минут с зарядкой 400 кВт. Одна из проблем с зарядкой — это литиевая гальваника в батареях, поэтому метод асимметричной температурной модуляции заряжает при более высокой температуре, чтобы уменьшить гальванику, но ограничивает это до 10-минутных циклов, избегая роста межфазной границы твердого электролита, что может сократить срок службы батареи.Сообщается, что этот метод снижает деградацию батареи, позволяя заряжать XFC.

Песочная батарея дает в три раза больше времени автономной работы

В этом альтернативном типе литий-ионной батареи используется кремний, что обеспечивает в три раза лучшую производительность, чем современные графитовые литий-ионные батареи. Батарея по-прежнему литий-ионная, как и в вашем смартфоне, но в анодах используется кремний вместо графита.

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде какое-то время занимались нанокремнием, но он слишком быстро деградирует, и его трудно производить в больших количествах.С помощью песка его можно очистить, измельчить в порошок, затем измельчить с солью и магнием перед нагреванием для удаления кислорода, что приведет к получению чистого кремния. Он пористый и трехмерный, что помогает повысить производительность и, возможно, продлить срок службы батарей. Изначально мы начали это исследование в 2014 году, и теперь оно приносит свои плоды.

Silanano — стартап в области аккумуляторных технологий, который выводит эту технологию на рынок и получил большие инвестиции от таких компаний, как Daimler и BMW. Компания заявляет, что ее решение можно использовать в существующем производстве литий-ионных аккумуляторов, поэтому оно настроено на масштабируемое развертывание, обещая прирост производительности аккумулятора на 20% сейчас или на 40% в ближайшем будущем.

Захват энергии от Wi-Fi

Хотя беспроводная индуктивная зарядка является обычным явлением, возможность захвата энергии от Wi-Fi или других электромагнитных волн остается проблемой. Однако группа исследователей разработала ректенну (антенну, собирающую радиоволны), которая представляет собой всего лишь несколько атомов, что делает ее невероятно гибкой.

Идея состоит в том, что устройства могут включать в себя эту ректенну на основе дисульфида молибдена, чтобы энергия переменного тока могла быть получена от Wi-Fi в воздухе и преобразована в постоянный ток, либо для подзарядки батареи, либо для непосредственного питания устройства.Это может привести к появлению медицинских таблеток с питанием без необходимости во внутренней батарее (безопаснее для пациента) или мобильных устройств, которые не нужно подключать к источнику питания для подзарядки.

Энергия, полученная от владельца устройства

Вы можете стать источником энергии для вашего следующего устройства, если исследования TENG принесут свои плоды. TENG или трибоэлектрический наногенератор — это технология сбора энергии, которая улавливает электрический ток, генерируемый при контакте двух материалов.

Исследовательская группа из Суррейского института передовых технологий и Университета Суррея дала понять, как эта технология может быть использована для питания таких вещей, как носимые устройства. Хотя мы еще далеки от того, чтобы увидеть это в действии, исследование должно дать дизайнерам инструменты, необходимые для эффективного понимания и оптимизации будущей реализации TENG.

Золотые батареи с нанопроволокой

Великие умы Калифорнийского университета в Ирвине создали треснувшие батареи с нанопроволокой, способные выдержать много перезарядок.В результате в будущем батареи могут не разрядиться.

Нанопроволока, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, открывает большие возможности для батарей будущего. Но они всегда ломались при подзарядке. Это открытие использует золотые нанопроволоки в гелевом электролите, чтобы этого избежать. Фактически, эти батареи были проверены на перезарядку более 200 000 раз за три месяца и не показали вообще никакой деградации.

Твердотельные литий-ионные

Твердотельные батареи традиционно обеспечивают стабильность, но за счет передачи электролита.В статье, опубликованной учеными Toyota, рассказывается об их испытаниях твердотельной батареи, в которой используются сульфидные суперионные проводники. Все это означает превосходный аккумулятор.

В результате получилась батарея, способная работать на уровне суперконденсатора и полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут, что делает ее идеальной для автомобилей. Поскольку он твердотельный, это также означает, что он намного стабильнее и безопаснее, чем нынешние батареи. Твердотельный блок также должен работать при температуре от минус 30 до 100 градусов Цельсия.

Электролитные материалы по-прежнему создают проблемы, поэтому не ожидайте увидеть их в ближайшее время в автомобилях, но это шаг в правильном направлении к более безопасным и быстро заряжаемым аккумуляторам.

Grabat графеновые батареи

Графеновые батареи потенциально могут быть одними из самых лучших среди имеющихся. Grabat разработал графеновые батареи, которые могут обеспечить электромобилям запас хода до 500 миль без подзарядки.

Graphenano, компания, стоящая за разработкой, заявляет, что аккумуляторы можно полностью зарядить всего за несколько минут и они могут заряжаться и разряжаться в 33 раза быстрее, чем литий-ионные.Разряд также важен для таких вещей, как автомобили, которым требуется огромное количество энергии для быстрого трогания с места.

Нет информации о том, используются ли аккумуляторы Grabat в настоящее время в каких-либо продуктах, но у компании есть аккумуляторы для автомобилей, дронов, мотоциклов и даже для дома.

Лазерные микроконденсаторы

Ученые из Университета Райса совершили прорыв в создании микроконденсаторов. В настоящее время их производство дорогое, но с использованием лазеров, которые вскоре могут измениться.

При использовании лазеров для выжигания электродов на листы пластика затраты на производство и усилия значительно снижаются. В результате получается батарея, которая может заряжаться в 50 раз быстрее, чем нынешние батареи, и разряжаться даже медленнее, чем современные суперконденсаторы. Они даже прочные, способны работать после более чем 10 000 сгибаний во время испытаний.

Пенные аккумуляторы

Прието считает, что будущее аккумуляторов — за 3D. Компании удалось решить эту проблему с помощью своей батареи, в которой используется медная вспененная подложка.

Это означает, что эти батареи будут не только более безопасными благодаря отсутствию горючего электролита, но также будут предлагать более длительный срок службы, более быструю зарядку, в пять раз более высокую плотность, будут дешевле в производстве и будут меньше, чем существующие предложения.

Prieto стремится в первую очередь размещать свои батареи в небольших предметах, например, в носимых устройствах. Но там говорится, что аккумуляторы можно масштабировать, чтобы мы могли видеть их в телефонах и, возможно, даже в автомобилях в будущем.

Складной аккумулятор похож на бумагу, но прочный

Jenax J.Аккумулятор Flex был разработан, чтобы сделать гаджеты возможными. Батарея, похожая на бумагу, складывается и является водонепроницаемой, что означает, что ее можно интегрировать в одежду и другие носимые устройства.

Батарея уже создана и даже прошла испытания на безопасность, в том числе ее сложили более 200 000 раз без потери производительности.

uBeam по воздуху зарядка

uBeam использует ультразвук для передачи электричества. Энергия преобразуется в звуковые волны, неслышимые для людей и животных, которые передаются, а затем преобразуются обратно в энергию при достижении устройства.

С концепцией uBeam наткнулась 25-летняя выпускница астробиологии Мередит Перри. Она основала компанию, которая позволит заряжать гаджеты по воздуху с помощью пластины толщиной 5 мм. Эти передатчики можно прикрепить к стенам или сделать предметами декоративного искусства для передачи энергии на смартфоны и ноутбуки. Гаджетам просто нужен тонкий приемник, чтобы принимать заряд.

StoreDot заряжает мобильные телефоны за 30 секунд

StoreDot, стартап, созданный на базе кафедры нанотехнологий Тель-Авивского университета, разработал зарядное устройство StoreDot.Он работает с современными смартфонами и использует биологические полупроводники, сделанные из природных органических соединений, известных как пептиды — короткие цепочки аминокислот, которые являются строительными блоками белков.

В результате получилось зарядное устройство, способное заряжать смартфон за 60 секунд. Батарея состоит из «негорючих органических соединений, заключенных в многослойную защитную структуру, предотвращающую перенапряжение и нагрев», поэтому проблем с ее взрывом быть не должно.

Компания также объявила о планах создать аккумулятор для электромобилей, который заряжается за пять минут и обеспечивает запас хода до 300 миль.

Пока неизвестно, когда аккумуляторы StoreDot будут доступны в глобальном масштабе — мы ожидали, что они появятся в 2017 году, — но когда они появятся, мы ожидаем, что они станут невероятно популярными.

Прозрачное солнечное зарядное устройство

Alcatel продемонстрировал мобильный телефон с прозрачной солнечной панелью над экраном, которая позволяет пользователям заряжать свой телефон, просто поместив его на солнце.

Хотя вряд ли он появится в продаже в течение некоторого времени, компания надеется, что он каким-то образом решит повседневные проблемы, связанные с постоянным отсутствием заряда батареи.Телефон будет работать как с прямым солнечным светом, так и со стандартным освещением, так же, как и обычные солнечные батареи.

Алюминиево-воздушная батарея обеспечивает пробег на 1100 миль без подзарядки.

Автомобилю удалось проехать 1100 миль на одном заряде аккумулятора. Секрет этого супердиапазона заключается в технологии батареи, называемой «алюминий-воздух», которая использует кислород из воздуха для заполнения своего катода. Это делает его намного легче, чем заполненные жидкостью литий-ионные батареи, что дает автомобилю гораздо больший запас хода.

Батареи с питанием от мочи

Фонд Билла Гейтса финансирует дальнейшие исследования Бристольской робототехнической лаборатории, которая обнаружила батареи, которые могут питаться от мочи. Этого достаточно для зарядки смартфона, который ученые уже продемонстрировали. Но как это работает?

Используя микробный топливный элемент, микроорганизмы собирают мочу, расщепляют ее и выделяют электричество.

Звук работает

Исследователи из Великобритании создали телефон, который может заряжаться, используя окружающий звук в окружающей атмосфере.

Смартфон построен по принципу пьезоэлектрического эффекта. Были созданы наногенераторы, улавливающие окружающий шум и преобразующие его в электрический ток.

Наностержни даже реагируют на человеческий голос, а это значит, что болтливые мобильные пользователи могут подключать свой телефон во время разговора.

Двойная угольная батарея Ryden заряжается в 20 раз быстрее.

Power Japan Plus уже анонсировала новую технологию аккумуляторов под названием Ryden dual carbon. Он не только прослужит дольше и будет заряжаться быстрее, чем литиевые, но его можно будет производить на тех же заводах, где производятся литиевые батареи.

В аккумуляторах используются углеродные материалы, что означает, что они более экологичны и безопасны, чем существующие в настоящее время альтернативы. Это также означает, что батареи будут заряжаться в двадцать раз быстрее, чем литий-ионные. Они также будут более долговечными, способными выдержать до 3000 циклов зарядки, а также более безопасными с меньшей вероятностью возгорания или взрыва.

Натрий-ионные аккумуляторы

Ученые из Японии работают над новыми типами аккумуляторов, которые не нуждаются в литии, таких как аккумулятор вашего смартфона.В этих новых батареях будет использоваться натрий, один из самых распространенных материалов на планете, а не редкий литий, и они будут в семь раз эффективнее обычных батарей.

Исследования натриево-ионных батарей ведутся с восьмидесятых годов в попытке найти более дешевую альтернативу литию. Используя соль, шестой по распространенности элемент на планете, можно сделать батареи намного дешевле. Ожидается, что в ближайшие 5-10 лет начнется коммерциализация аккумуляторов для смартфонов, автомобилей и других устройств.

Зарядное устройство для водородных топливных элементов Upp

Переносное зарядное устройство для водородных топливных элементов Upp уже доступно. Он использует водород для питания вашего телефона, не позволяя вам подключаться к электросети и оставаясь безвредным для окружающей среды.

Одна водородная ячейка обеспечит пять полных зарядов мобильного телефона (емкость 25 Втч на ячейку). И единственный производимый побочный продукт — это водяной пар. Разъем USB типа A означает, что он будет заряжать большинство USB-устройств с выходом 5 В, 5 Вт, 1000 мА.

Батареи со встроенным огнетушителем

Литий-ионные батареи нередко перегреваются, загораются и даже могут взорваться.Аккумулятор в Samsung Galaxy Note 7 — яркий тому пример. Исследователи из Стэнфордского университета придумали литий-ионные батареи со встроенными огнетушителями.

В батарее есть компонент, называемый трифенилфосфатом, который обычно используется в качестве антипирена в электронике, добавленный к пластиковым волокнам, чтобы помочь разделить положительный и отрицательный электроды. Если температура батареи поднимается выше 150 градусов C, пластмассовые волокна плавятся и выделяется трифенилфосфат.Исследования показывают, что этот новый метод может предотвратить возгорание аккумуляторов за 0,4 секунды.

Батареи, защищенные от взрыва

Литий-ионные батареи имеют довольно летучий слой пористого материала жидкого электролита, расположенный между анодным и катодным слоями. Майк Циммерман, исследователь из Университета Тафтса в Массачусетсе, разработал батарею, которая имеет вдвое большую емкость, чем литий-ионные, но без присущих ей опасностей.

Батарея Циммермана невероятно тонкая, немного толще, чем две кредитные карты, и заменяет жидкость электролита пластиковой пленкой, которая имеет аналогичные свойства.Он может выдерживать прокалывание, измельчение и нагревание, так как он негорючий. Еще предстоит провести много исследований, прежде чем технология сможет выйти на рынок, но хорошо знать, что существуют более безопасные варианты.

Батареи Liquid Flow

Ученые из Гарварда разработали батарею, которая хранит свою энергию в органических молекулах, растворенных в воде с нейтральным pH. Исследователи говорят, что этот новый метод позволит батарее Flow работать исключительно долго по сравнению с нынешними литий-ионными батареями.

Маловероятно, что мы увидим эту технологию в смартфонах и т.п., поскольку жидкий раствор, связанный с батареями Flow, хранится в больших резервуарах, чем больше, тем лучше. Считается, что они могут быть идеальным способом хранения энергии, создаваемой решениями в области возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце.

Действительно, исследование Стэнфордского университета использовало жидкий металл в проточной батарее с потенциально отличными результатами, заявляя, что напряжение вдвое выше, чем у обычных проточных батарей. Команда предположила, что это может быть отличным способом хранения прерывистых источников энергии, таких как ветер или солнце, для быстрого выпуска в сеть по запросу.

IBM и ETH Zurich и разработали жидкостную проточную батарею гораздо меньшего размера, которая потенциально может быть использована в мобильных устройствах. Эта новая батарея утверждает, что может не только обеспечивать питание компонентов, но и одновременно охлаждать их. Обе компании обнаружили две жидкости, которые подходят для этой задачи, и будут использоваться в системе, которая может производить 1,4 Вт мощности на квадратный сантиметр, при этом 1 Вт мощности зарезервирован для питания батареи.

Zap & Go Карбон-ионный аккумулятор

Оксфордская компания ZapGo разработала и произвела первую угольно-ионную аккумуляторную батарею, которая уже готова к использованию потребителями.Углеродно-ионный аккумулятор сочетает в себе сверхбыструю зарядку суперконденсатора с характеристиками литий-ионного аккумулятора, при этом полностью пригодный для вторичной переработки.

Компания предлагает зарядное устройство powerbank, которое полностью заряжается за пять минут, а затем полностью заряжает смартфон за два часа.

Цинково-воздушные батареи

Ученые из Сиднейского университета считают, что они придумали способ производства воздушно-цинковых батарей, который намного дешевле, чем существующие методы.Цинково-воздушные батареи можно считать лучше литий-ионных, потому что они не загораются. Единственная проблема в том, что они полагаются на дорогие компоненты в работе.

Sydney Uni удалось создать воздушно-цинковую батарею без необходимости в дорогих компонентах, а с некоторыми более дешевыми альтернативами. Возможно, появятся более безопасные и дешевые батареи!

Умная одежда

Исследователи из Университета Суррея разрабатывают способ использования одежды в качестве источника энергии.Батарея называется трибоэлектрическими наногенераторами (TENG), которая преобразует движение в накопленную энергию. Накопленное электричество затем можно использовать для питания мобильных телефонов или устройств, таких как фитнес-трекеры Fitbit.

Эта технология может быть применена не только к одежде, она может быть интегрирована в тротуар, поэтому, когда люди постоянно ходят по ней, она может накапливать электричество, которое затем может использоваться для питания стальных ламп или в шинах автомобиля, чтобы он может привести машину в действие.

Растягиваемые батареи

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали растяжимый биотопливный элемент, который может генерировать электричество из пота.Говорят, что генерируемой энергии достаточно для питания светодиодов и радиомодулей Bluetooth, а это означает, что однажды она сможет питать носимые устройства, такие как умные часы и фитнес-трекеры.

Графеновая батарея Samsung

Компания Samsung сумела разработать «графеновые шары», которые способны увеличивать емкость существующих литий-ионных аккумуляторов на 45 процентов и заряжаться в пять раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Чтобы представить это в контексте, Samsung заявляет, что его новый аккумулятор на основе графена может быть полностью заряжен за 12 минут, по сравнению с примерно часом для текущего устройства.

Samsung также заявляет, что его можно использовать не только в смартфонах, но и в электромобилях, поскольку он может выдерживать температуру до 60 градусов по Цельсию.

Более безопасная и быстрая зарядка существующих литий-ионных аккумуляторов

Ученые из WMG из Университета Уорика разработали новую технологию, которая позволяет заряжать существующие литий-ионные аккумуляторы в пять раз быстрее по сравнению с текущими рекомендуемыми пределами. Технология постоянно измеряет температуру батареи намного точнее, чем существующие методы.

Ученые обнаружили, что существующие батареи фактически могут выходить за пределы рекомендуемых пределов, не влияя на производительность или перегрев. Возможно, нам вообще не нужны другие упомянутые новые батареи!

Написано Крисом Холлом. Первоначально опубликовано 15 августа 2014 г. .

Как мы доберемся до следующего большого прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени.Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение.По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два столетия тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи действительно снова изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удержать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия аккумуляторов, которая у нас есть, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав в течение как минимум еще одного десятилетия или более. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, в буханке NMC между каждым ломтиком находятся ионы лития. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной буханке батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда аккумулятор нужно зарядить снова.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), имеющий структуру «оливина», в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль стыкуется, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — инерцию.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям в Университете Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов. Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составила около 175 долларов за киловатт-час, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость батарей упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем газовый автомобиль в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут отдавать предпочтение электромобилям просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть больше кВтч в батарейный блок, не снижая его цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать лишь относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем перестанет работать.Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя ряд инноваций за последние несколько десятилетий поднял плотность энергии катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом.Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слабый, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои конструкции анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется. Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто увеличить корпус, чтобы приспособиться к этому набуханию, потому что расширение разрушает так называемую «межфазную поверхность твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину. Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита.SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается. И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, кремний рассеивается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы.Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда. Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергнуть 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI.У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии. Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, предпринятые для накопления большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy выпустила на рынок литий-металлический аккумулятор для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны на современных литий-ионных батареях, начали взрываться в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог возгорания.Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы. С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету.Усилия по расширению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей.Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения. Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 млн долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансе

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с батарейками — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

На данный момент химики, занимающиеся аккумуляторными батареями, обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), им приходится идти на компромисс в отношении другой характеристики (например, безопасности). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — по мнению Йет-Мин Чанга из Массачусетского технологического института, сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад, — шансы на успех возрастают. Потенциал аккумуляторов остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых аккумуляторах с хорошей долей скептицизма.

Как накопление энергии может произвести революцию в отрасли в ближайшие 10 лет

Какие изменения может иметь десятилетие. В 2010 году наши телефоны и компьютеры питали аккумуляторы.К концу десятилетия они начинают приводить в действие наши машины и дома.

За последние десять лет резкий рост производства литий-ионных аккумуляторов привел к снижению цен до такой степени, что — впервые в истории — электромобили стали коммерчески жизнеспособными с точки зрения как стоимости, так и производительности. Следующий шаг, который определит следующее десятилетие, — это хранилище в масштабе полезности.

По мере того, как непосредственность климатического кризиса становится все более очевидной, батареи являются ключом к переходу к миру, работающему на возобновляемых источниках энергии.Солнце и ветер играют все более важную роль в производстве электроэнергии, но без эффективных технологий хранения энергии природный газ и уголь необходимы в те времена, когда солнце не светит или ветер не воет. И поэтому крупномасштабное хранение играет важную роль, если общество хочет уйти от мира, зависящего от ископаемого топлива.

По оценкам UBS, в течение следующего десятилетия затраты на хранение энергии упадут между 66% и 80%, а мировой рынок вырастет до 426 миллиардов долларов. По пути целые экосистемы будут расти и развиваться, чтобы поддержать новую эру электричества с батарейным питанием, и последствия будут ощущаться во всем обществе.

Изменение электросети

Если электромобили будут расти быстрее, чем ожидалось, например, пиковый спрос на нефть может быть достигнут раньше, чем ожидалось, в то время как большее количество зеленой энергии изменит состав электросети.

В недавней записке для клиентов аналитики Cowen заявили, что в сети «в ближайшие десять лет произойдет больше изменений, чем за предыдущие 100 лет».

Растущий рынок накопителей энергии не оставляет недостатка в инвестиционных возможностях, особенно потому, что государственные субсидии и нормативные акты способствуют переходу к чистой энергии.Но, как и на других высококонкурентных рынках, таких как полупроводниковая промышленность в 1990-х годах, аккумуляторная батарея не всегда обеспечивала максимальную отдачу для инвесторов. Ряд компаний, производящих аккумуляторные батареи, обанкротились, что подчеркивает тот факт, что продукт, изменяющий общество, может не вознаградить акционеров.

«В конце концов, это достанется некоторым лидерам отрасли, которые заработают немного денег», — сказал Джо Оша из JMP Securities. «Я думаю, что все эти компании сделают хорошую работу по обеспечению снижения цен для производителей [электромобилей] в течение следующих 5-10 лет.Я не очень уверен, что они собираются принести большую прибыль акционерам в процессе ».

Тем не менее, хотя может быть сложно инвестировать в компании, занимающиеся чистыми аккумуляторными батареями, есть возможности для целевых компаний, которые могут извлечь выгоду из переход к низкоуглеродному миру.Например, Sunrun — крупнейшая компания по производству солнечной энергии для жилых домов в Соединенных Штатах, а NextEra Energy — одна из крупнейших в стране компаний по возобновляемым источникам энергии и в настоящее время строит хранилище для коммунальных предприятий.

Пока ученые меняют химический состав батарей, а компании делают ставки на то, что может стать следующей прорывной технологией, Дэн Голдман, основатель венчурной компании Clean Energy Ventures, специализирующейся на чистых технологиях, сказал, что такие области, как инновационные системы управления батареями, являются хорошим выбором. ставка для инвесторов, так как они могут работать с любой аккумуляторной технологией.

«Использование огромных экономических возможностей, лежащих в основе перехода к контролю и энергетическим системам на основе батарей» требует, чтобы не только планировщики, политики и регулирующие органы, но и инвесторы «использовали экосистемный подход к развитию этих рынков», — писали исследователи из Rocky Mountain Institute в Прорывные аккумуляторы: в основе эры чистой электрификации .

Батареи: новая звезда науки

Батарейные технологии в самом простом виде появились более двух столетий назад. Само это слово является обобщающим, поскольку батареи бывают всех форм и размеров: свинцово-кислотные, никель-железные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и т. Д.

Литий-ионные батареи — что само по себе может быть общим термином — были впервые разработаны в 1970-х годах и впервые реализованы Sony в 1991 году для портативного видеомагнитофона компании. Теперь они встречаются во всем: от iPhone до медицинских устройств, самолетов и международных космических станций.

Возможно, самым ярким свидетельством роли этих батарей в современном обществе является то, что в этом году Нобелевская премия по химии была присуждена трем ученым, разработавшим литий-ионную батарею.

«За последние десятилетия разработка [литий-ионных аккумуляторов] быстро прогрессировала, и мы можем ожидать, что в технологии аккумуляторов произойдет еще много важных открытий», — заявила в октябре Шведская Королевская академия наук. «Эти будущие прорывы, несомненно, приведут к дальнейшим улучшениям в нашей жизни не только для нашего удобства, но и в отношении глобальной и локальной окружающей среды и, в конечном итоге, устойчивости всей нашей планеты.»

Электромобили: преодолеть расстояние

Tesla была первой автомобильной компанией, которая начала коммерциализацию электромобилей с батарейным питанием, когда представила родстер в 2008 году. Автопроизводители раньше возились с гибридными моделями, но в целом они не интересовались полностью электрическими автомобилями , учитывая высокую стоимость производства

Но вкусы потребителей изменились за последнее десятилетие, и по мере усиления регулирующего надзора — особенно в Европе — автопроизводителям пришлось не отставать.

Практически все автопроизводители сейчас предлагают или планируют предлагать полностью электрические или, по крайней мере, гибридные модели автомобилей. В ноябре Ford представил свой полностью электрический Mustang Mach-E, который является частью плана компании на сумму 11 миллиардов долларов по разработке 40 полностью электрических и гибридных моделей к 2022 году, а в марте Volkswagen увеличил свою цель по производству электромобилей до 70 новых моделей к 2028 году. по сравнению с предыдущей целью в 50.

Цены на аккумуляторные батареи для электромобилей обычно рассматриваются как стоимость киловатт-часа.За последние десять лет цены упали, поскольку производство достигло экономии от масштаба. По данным BloombergNEF, сейчас они стоят около 156 долларов за киловатт-час, что на 85% меньше, чем в 2010 году, когда стоимость киловатт-часа составляла 1100 долларов плюс. По данным BloombergNEF, продолжающееся производство и повышение эффективности приведут к снижению цен к 2024 году ниже цены 100 долларов / кВтч, что важно, поскольку это отраслевой консенсус относительно того, когда электромобили достигнут паритета цен с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

«Хотя концепция электромобилей не нова, в этом автомобильном цикле отличает доступность надежных и недорогих аккумуляторов, которые обладают отличными энергетическими и энергетическими характеристиками в практическом форм-факторе», — сказал аналитик Cowen Джеффри Осборн. недавнее примечание для клиентов.

Рабочие на производственной линии литий-ионных аккумуляторов для электромобилей (EV) на заводе в Хучжоу, провинция Чжэцзян, Китай.

Reuters

Мировые продажи подключаемых к электросети электромобилей, включая электромобили с аккумуляторным питанием и подключаемые к сети гибридные электромобили, достигли 1-го уровня.98 миллионов в 2018 году, по данным Международного энергетического агентства, в результате чего общее количество электромобилей на дорогах превысило 5,1 миллиона. Это все еще очень небольшая часть из более чем 1 миллиарда автомобилей на дорогах сегодня, но ожидается, что их число будет продолжать расти. BloombergNEF прогнозирует, что к 2040 году 57% продаж новых легковых автомобилей будут электрическими, что доведет общий парк электромобилей до 30%.

Tesla в настоящее время является крупнейшим в мире производителем электромобилей, и, хотя он еще не получил прибыль в годовом исчислении, он опубликовал прибыль на квартальной основе, в том числе в последнем квартале.Компания оказалась несколько поляризованной с точки зрения инвестирования, учитывая частые сбои в поставках и иногда неустойчивое поведение генерального директора Илона Маска.

Но компании удалось снизить цену на свой аккумулятор. Отчасти это связано с гигафабрикой Tesla в Спарксе, штат Невада, которая работает практически на пределе максимальной эффективности, а также с тем, что бытовые и коммунальные хранилища компании помогают распределять фиксированные затраты на производство аккумуляторов. Компания также получила государственные субсидии и оптимизировала работу своего гигафабрики.

Литий-ионные аккумуляторные элементы

Tomohiro Ohsumi | Bloomberg | Getty Images

Аккумулятор является ключевым отличием электромобилей, поскольку запас хода автомобиля определяется количеством накопленной энергии, а также определяет время, необходимое для зарядки автомобиля.

В недавней заметке Credit Suisse сказал, что важно отдать должное Tesla за разработку аккумуляторных батарей. Компания имеет низкий рейтинг по акциям, но заявила, что у автопроизводителя есть «преимущество перед другими автопроизводителями в области электрификации», среди прочего, благодаря плотности энергии его батареи.

Компактная модель Tesla 3 стоит от 39 990 долларов, не считая экономии от государственных субсидий и газа, что означает, что она по-прежнему значительно дороже, чем компактные автомобили с газовым двигателем. Еще одна проблема, которую автопроизводителям придется решать в будущем, — это больший запас хода на одной зарядке и более быстрое время зарядки, что препятствует широкому распространению.

Но с уменьшением стоимости аккумуляторов, по мнению S&P Global Platts, электромобили могут стать конкурентоспособными в местах с высокими ценами на нефть уже в ближайшие два-три года.

«Tesla вывела на рынок бренд, и это действительно помогло всей отрасли», — сказал Остин Девани, директор IHS Markit по глобальной неорганике. «Вы доберетесь до того, что карманная сторона начнет привлекать больше людей к электромобилям, поэтому вы увидите рост проникновения в ближайшие годы».

Инвестиционные возможности в цепочке поставок аккумуляторов

Основная причина, по которой электромобили с аккумуляторным питанием все еще относительно дороги, — это стоимость сырья, необходимого для их производства.Помимо лития, для литий-ионных аккумуляторов необходимы другие минералы, такие как кобальт и графит, а также такие металлы, как никель, алюминий и марганец.

Электромобили сегодня опережают спрос на литий среди бытовой электроники. В то время как спрос на минерал растет, цены резко упали за последнее десятилетие после того, как рост производства опередил более медленные, чем ожидалось, продажи электромобилей, сообщает S&P Global Platts. Фирма заявила, что ожидает, что спрос в транспортном и электроэнергетическом секторах почти утроится в течение следующих пяти лет, и что по мере того, как «набирает обороты», спрос может перевесить предложение.«

Химическая компания Albemarle могла бы стать одним из бенефициаров растущего спроса, поскольку у нее есть литиевые предприятия по всему миру, в том числе в Сильвер-Пике, Невада и Салар-де-Атакама, Чили. В прошлом году количество аналитиков Уолл-стрит, имеющих рейтинг, эквивалентный покупателю, упал с 80% до 52%.

Но не все отказались от этой акции. Аналитик Jefferies Лоуренс Александер сказал в декабре, что это «один из самых интригующих историй за 3-5 лет.«Его цель в 83 доллара на 15% выше, чем в настоящее время торгуются акции.

Среди других экстракторов лития — базирующаяся в Филадельфии компания Livent, которая была выделена из корпорации FMC, и чилийская компания Sociedad Quimica y Minera De Chile SA

. бассейны солевого раствора и перерабатывающий завод литиевого рудника Soquimich (SQM) на соляной равнине Атакама на севере Чили, 10 января 2013 года.

Иван Альварадо | Reuters

Когда дело доходит до фактического изготовления аккумуляторных элементов для аккумуляторной батареи, На рынке доминируют такие азиатские компании, как Panasonic, CATL, LG Chem и китайская BYD, которая почти на 25% принадлежит Berkshire Hathaway Уоррена Баффета.

Panasonic сотрудничает с Tesla, а LG Chem производит аккумуляторы, в частности, для General Motors и Ford.

В декабре GM и LG Chem объявили, что к 2023 году они инвестируют до 2,3 миллиарда долларов в создание совместного предприятия в Огайо по производству аккумуляторных элементов для электромобилей. «Новый завод поможет нам масштабировать производство и значительно повысить прибыльность и доступность электромобилей», — заявила генеральный директор и председатель правления GM Мэри Барра на мероприятии для СМИ, анонсировавшем новый завод.

Девани сказал, что мы достигли своего рода «переломного момента», когда игроки, играющие на материальных средствах, могут увидеть паритет в ценах на аккумуляторные элементы и пакеты. «Пять лет назад… электромобили были скорее новинкой… потребители не обязательно осознавали преимущества, сегодня они есть».

Заставьте свой телефон питаться от дома

Спрос на более мощные и качественные батареи для питания электромобилей произвел волновой эффект, в том числе и в домашнем хранилище энергии. Это особенно верно, поскольку падение цен на солнечную энергию вкупе с государственными субсидиями побудило потребителей перейти на возобновляемые источники энергии.

В ноябрьской записке для клиентов Оша из JMP сказал, что SunRun, которая предлагает солнечные батареи и варианты хранения, выглядит готовым к «отличному 2020 году», отчасти из-за потенциала роста со стороны компании по хранению данных.

«Использование накопителей заметно как в RUN, так и во всей отрасли — бытовые батареи превратились из любопытства во все более распространенную часть новой жилой солнечной установки», — сказал он.

Tesla — еще одна компания, которая предлагает солнечные батареи и накопители с батареей Powerwall, которая, по словам аналитика Baird Бен Калло, в настоящее время является «недооцененной» частью компании, но, как он ожидает, станет «более важной сферой внимания по мере увеличения прибыльности и роста прибыли». развертывания растут.»

Tesla’s Powerwall 2

Источник: Tesla

В то время как обе эти компании также предлагают солнечные установки, другие компании, такие как Enphase Energy, предлагают батареи, которые интегрируются с существующими солнечными системами. Enphase является лидером в рейтинге NASDAQ Composite в этом году. через год, после роста на 465%

Следующий шаг: накопители в масштабе коммунальных услуг

Тем не менее, самый большой потенциальный рынок для накопителей энергии — это не отдельные потребители, а крупные коммунальные компании.

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, обеспечивают все больше и больше энергии для сети. Но до тех пор, пока не будут разработаны эффективные накопители энергии, эти прерывистые источники будут по-прежнему полагаться на ископаемое топливо.

Проект Лавай по хранению солнечной энергии и энергии на острове Кауаи, Гавайи.

Проще говоря, в настоящее время электрическая сеть обычно работает так, что энергия вырабатывается буквально за несколько мгновений до этого. Запасов не так много, поэтому спрос и предложение должны всегда находиться в равновесии.

Но по мере того, как цены на аккумуляторы падают, все больше и больше коммунальных предприятий интегрируют литий-ионные аккумуляторы в свои системы. В настоящее время они в основном используются для замены так называемых пиковых электростанций — станций, обычно работающих на природном газе, которые используются только в периоды пикового спроса. Они также начинают заменять дизельные генераторы в местах, где постоянно требуется электричество, например, в больницах.

Государственные стимулы и падающие затраты на солнечную и ветровую энергию также повышают жизнеспособность накопителей энергии.

«10 лет назад батареи были перспективным средством решения проблемы более широкого проникновения возобновляемой энергии в электрические сети, и сегодня, я думаю, вы можете увидеть в ближайшие 10 лет видимость того, что это стремление станет реальностью», Об этом CNBC сообщил управляющий директор Ultra Capital Кристиан Ханелт. Он добавил, что у коммунальных компаний есть естественное преимущество, поскольку они понимают сеть электропередач и знают, где они могут получить выгоду.

NextEra Energy — один из крупнейших поставщиков возобновляемой энергии в стране, который включает в себя предложения по хранению энергии.В недавней записке для клиентов Credit Suisse назвал это одной из своих главных инвестиционных идей, основанных на «сильной зависимости NextEra от быстрорастущей отрасли возобновляемых источников энергии» и «ведущем в мире крупномасштабном бизнесе по развитию возобновляемых источников энергии». Другие компании, предлагающие аккумуляторы, включают EnerSys из Пенсильвании, а также Pinnacle West Capital Corporation, которая в феврале объявила о планах добавить 850 мегаватт аккумуляторов в Аризоне в течение следующих 5 лет.

В настоящее время крупнейшая установка литий-ионных аккумуляторов находится в Южной Австралии и работает от Tesla.Его мощность составляет 100 мегаватт, что, по данным сайта, позволяет питать 30 000 домов при максимальной мощности. В ноябре французская компания Neoen, которая управляет площадкой, объявила о расширении на 50%, в результате чего мощность увеличится до 150 МВт.

Должностные лица и рабочие собираются возле комплекса Hornsdale Power Reserve с крупнейшей в мире литий-ионной батареей производства Tesla во время официального запуска около южно-австралийского города Джеймстаун.

Дэвид Грей | Reuters

Производители и операторы оборудования для возобновляемых источников энергии, а также химические компании и компании по производству материалов также могут получить выгоду, если хранение энергии ветра и солнца станет более целесообразным.Осборн отметил, что потребуется новое программное обеспечение, чтобы помочь коммунальным компаниям понять потребности в электроэнергии, поскольку возобновляемые источники энергии и электромобили получают от сети.

«Мы рассматриваем внедрение интеллектуальных технологий в электросети как одну из следующих больших волн расходов на ИТ и новую инвестиционную тему, которая, вероятно, будет реализована в течение следующих 10-20 лет. По сути, Smart Grid — это крупномасштабный проект. — масштабные упражнения по интеграции программного обеспечения с использованием датчиков связи по сети », — сказал он.

Следующее десятилетие

Сохраняющиеся высокие затраты являются одной из причин, препятствующих резкому увеличению интеграции литий-ионных аккумуляторов в сеть. Другой фактор заключается в том, что этот конкретный тип батареи не обязательно может оказаться наиболее подходящим для хранения энергии в течение более длительных периодов времени. Также известно, что они воспламеняются, и есть проблемы с некоторыми необходимыми компонентами, такими как кобальт, почти половина которого поступает из Конго. Переработка и воздействие добычи металлов на окружающую среду — это другие проблемы, на которые следует обратить внимание.

Миллиарды долларов тратятся на поиск альтернатив. Твердотельные батареи, в которых используется натрий, например, вместо жидких электролитов, являются одним из возможных вариантов, как и проточные батареи, в которых для хранения энергии используются резервуары с электролитами. Но пока ни один из этих вариантов не является жизнеспособным.

Хотя точный тип батареи, которая выиграет, неизвестно, можно сказать наверняка, что батареи будут играть еще большую роль в обеспечении нашей жизни в будущем.

«Огромные инвестиции в производство батарей и устойчивый прогресс в технологии привели к сейсмическому сдвигу в том, как мы будем поддерживать нашу жизнь и организовывать энергетические системы уже в 2030 году», — писали исследователи из Института Рокки Маунтин в книге Breakthrough Batteries: Powering the Эпоха чистой электрификации .

— CNBC Майкл Блум , Нейт Раттнер и Майкл Вэйланд предоставил репортаж.

Будущее литий-ионных и твердотельных батарей

Рекомендуем вам: Разработка быстро заряжаемых аккумуляторов

Когда его спросили об альтернативных материалам литий-ионному, Парк сказал: «Существуют альтернативные материалы и химический состав аккумуляторов, которые выходят за рамки литий-ионных, включая литий-серу, натрий и т.д. конструкции на основе магния (Li / S, Na, Mg).Они, безусловно, имеют потенциальные преимущества по сравнению с существующими литий-ионными батареями с точки зрения плотности энергии или стоимости после выпуска на рынок. Однако уровень зрелости технологий по сравнению с литий-ионными технологиями на данный момент все еще невысок. Следовательно, для того, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями, требуется дальнейший прорыв от используемых материалов к производству ». В конечном счете, похоже, что литий-ионные аккумуляторы не готовы к коммерциализации из-за разрыва между практическим производством и академическими исследованиями в настоящее время, но серьезно изучаются.

Парк объясняет: «Стремление уменьшить углеродный след также стимулирует развитие устойчивой генерации энергии, такой как солнечная и ветровая, в сочетании с накопительным устройством, например батареей». Это намекает на тот факт, что более высокие требования приводят к инновациям в выборе материалов, дизайне и производственных процессах. Такие материалы, как твердый полимер, керамика и стеклянный электролит, позволяют использовать твердотельные батареи и использовать новые экологически безопасные процессы, исключающие использование токсичных растворителей, которые используются в процессах производства литий-ионных аккумуляторов.

Проверьте свои знания: Что вы знаете о электрификации сельских районов?

Переход от батареи с жидким электролитом к твердотельной батарее может показаться выходящим за рамки традиционной конструкции, но он нацелен на скачок существующих возможностей в области плотности энергии.Металлический литий образует дендриты в системе жидких аккумуляторов, что снижает срок службы и безопасность аккумуляторов. Замена высокореактивного жидкого электролита твердотельным электролитом, который по своей природе более безопасен и механически более жесткий, увеличивает удельную энергию батареи без ущерба для безопасности.

Поиск подходящего материала сепаратора, который позволяет ионам лития протекать между электродами, одновременно блокируя дендриты, является самой большой проблемой для разработчиков.Согласно недавней статье «Стабильность интерфейса в твердотельных батареях », исследователи использовали такие материалы, как полимер, который широко используется в батареях с жидким электролитом, или твердую керамику. Полимер не блокирует дендриты, а большая часть используемой керамики является хрупкой и не выдерживает нескольких циклов зарядки. Ожидается, что после решения проблемы дендритов твердотельные батареи предложат потребителям заманчивые преимущества в производительности: более быструю зарядку, более высокую плотность энергии, более длительный жизненный цикл и большую безопасность.

Другой разрабатываемый метод — это конструкция без анода. Когда батарея разряжается во время использования, литий течет с анода на катод. В этом случае толщина анода уменьшается. Этот процесс меняется на противоположный, когда батарея заряжается и ионы лития снова попадают в анод.

Вам также может понравиться: Как пищевая сеть может поддерживать поток электроэнергии

Другая компания, Sion Power, перешла с Li / S на свою литий-металлическую технологию Licerion.Согласно их технической информации, Sion Power преодолела проблемы, которые преследовали исторический химический состав металлического лития — плотность энергии (Вт · ч / л) и срок службы — путем разработки многогранного подхода к защите анода из металлического лития. Они включают три уровня защиты: химическая защита внутри ячейки, физическая защита внутри ячейки и физическая защита на уровне упаковки. В них используется запатентованная технология защищенного литиевого анода (PLA), при которой металлический литиевый анод физически защищен тонким, химически стабильным и ионопроводящим керамическим полимерным барьером.Это позволяет добавкам электролита на уровне элемента стабилизировать поверхность анода, что увеличивает срок службы и увеличивает энергию. Пакет включает в себя запатентованную систему сжатия ячеек и усовершенствованную систему управления батареями.

Батареи по-прежнему отстой, но исследователи работают над этим

Это может показаться простым решением, но Бердичевский говорит, что это было совсем не так.«Нам потребовалось семь лет и 30 000 повторений в нашей лаборатории, без преувеличения, чтобы разработать метод создания этой структуры», — говорит он. Бердичевский также говорит, что задача разработки любой аккумуляторной технологии состоит в том, чтобы создать что-то, что «не улучшит одно, а ухудшит другое, что является природой академических кругов, потому что это происходит в лаборатории».

Металлический литий

Батареи, изготовленные из металлического лития, имеют репутацию, которую нужно преодолеть: вскоре после того, как в конце 1980-х годов они были коммерциализированы компанией Moli Energy, они вызвали достаточно пожаров, чтобы потребовать массового отзыва всех элементов на рынке.Но Мукерджи из Университета Пердью и другие говорят, что литий-металлические батареи в последние пять лет вновь вызывают интерес. Появляются новые конструкции, в которых для отрицательной анодной части батареи используется металлический литий вместо графита, что позволяет батарее удерживать более высокий заряд.

Во многом этот интерес к аккумуляторным батареям с более высоким зарядом был вызван ростом количества электромобилей; Как отмечали исследователи ARPA-E в этой статье, опубликованной в Nature в декабре прошлого года, «нынешняя платформа для литий-ионных материалов» вряд ли достигнет поставленных Министерством энергетики США целей по весу, плотности энергии и стоимости к 2022 году.Между тем, создание элементов с металлическими литиевыми электродами может увеличить удельную энергию тех же батарей на целых 50 процентов.

На прошлой неделе исследователи из Йельского университета опубликовали статью в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , в которой подробно описывается новый подход к работе с электродами из металлического лития. Хайлаинг Ван, ведущий исследователь, описал это как «агрессивную попытку использовать от 80 до 90 процентов лития» в батарее, иначе известную как глубокая цикличность.Перед сборкой батарей исследователи погрузили стекловолоконный сепаратор в раствор нитрата лития. Затем, во время работы батарей, медленное выделение нитрата лития и его разложение, как было обнаружено, «значительно улучшили характеристики электродов из металлического лития».

Но самая большая проблема с металлическим литием заключается в том, что он по-прежнему создает чрезвычайно летучие батареи, которые выделяют много тепла. Ван и его команда смогли успешно продемонстрировать, что эта комбинация технологии — металлический литий плюс защитные добавки — работает в лаборатории.Другое дело — использование в реальном мире. «Мы работали в малых масштабах, и условия хорошо контролировались, поэтому безопасность не вызывала беспокойства», — сказал Ван по телефону. Он назвал это «хорошим прогрессом, но еще далеким от коммерциализации».

Твердотельный

Аккумуляторы иногда используют термины «твердотельный» и «металлический литий» как взаимозаменяемые, поскольку они могут применяться к разным частям аккумулятора и сосуществовать в одной и той же структуре аккумулятора. И, как и металлический литий, твердотельные батареи привлекают все большее внимание в последние годы из-за их потенциального использования в электромобилях.Твердотельная батарея — это батарея, которая заменяет либо электроды батареи, ее жидкий электролит, либо и то, и другое твердым телом, например керамикой или стеклом. Поскольку вы заменяете легковоспламеняющиеся материалы (разве вы не рады, что обращали внимание в начале урока?) На что-то твердое, идея состоит в том, что аккумулятор может выдерживать более высокие температуры, что теоретически означает более высокую емкость.

Компания One Woburn, штат Массачусетс, использует несколько иной подход. Ionic Materials заменяет жидкий электролит на ионопроводящий полимер или пластик, который также является огнестойким материалом.

«Люди работают над вариациями анодов и катодов, но реальным препятствием [на пути развития аккумуляторов] является электролит, который мы пытаемся улучшить», — говорит Майк Циммерман, генеральный директор Ionic Materials. Он отметил, что керамика и стекло могут быть хрупкими и выделять газы при воздействии влаги, поэтому он считает, что эти твердые вещества не являются идеальным решением для твердотельных батарей. Один из ключевых инвесторов Ionic Materials в прошлом году сказал Стивену Леви из WIRED, что компания пытается объединить лучшие аспекты недорогих щелочных батарей с мощностью и перезаряжаемой природой литий-ионных аккумуляторов.Если компания сможет взломать эту формулу, она считает, что с ее технологией сможет даже обеспечить питание всей интеллектуальной сети.

Опять же, это не означает, что твердотельные батареи наводнят рынок в ближайшее время. В прошлом году Toyota признала, что у нее возникли проблемы с разработкой твердотельных батарей большой емкости. Затем, в апреле, старший вице-президент по исследованиям и разработкам Nissan сказал, что разработка твердотельных аккумуляторов «практически равна нулю на данном этапе».

Но еще один шаг может дать Ionic Materials преимущество: он заявляет, что не планирует заниматься собственным производством, а вместо этого хочет лицензировать свою технологию существующим производителям аккумуляторов.Для большинства новаторов в области аккумуляторных технологий, даже если они решают проблемы материалов, химии и безопасности, строительство завода по производству аккумуляторов в больших масштабах является огромной проблемой. Оказывается, если у вас нет рычагов влияния Илона Маска, вы не можете просто построить свой собственный гигантский Tesla Gigafactory.

Другие замечательные истории WIRED

Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов

Анод

Металлический литий — самый легкий металл и обладает высокой удельной емкостью (3.86 Ач (г) ^{— 1} ) и чрезвычайно низкий электродный потенциал (−3,04 В по сравнению со стандартным водородным электродом), что делает его идеальным анодным материалом для высоковольтных и высокоэнергетических батарей. Однако электрохимический потенциал Li ⁺ / Li лежит выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если не образуется пассивирующая граница раздела твердого электролита (SEI) ¹ . SEI подвержен повреждению и неравномерно ремонтируется на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может вызвать короткое замыкание ячейки и возгорание (рис.1а).

Разработка анодных материалов ( a ), включая металлический литий, нефтяной кокс и графит, ( b ) электролитов с растворителем пропиленкарбонатом (PC), смесью этиленкарбоната (EC) и по меньшей мере одним линейным карбонатом выбран из диметилкарбоната (DMC), диэтилкарбоната (DEC), этилметилкарбоната (EMC) и многих добавок, катодных материалов ( c ), включая материалы конверсионного типа, интеркаляционные материалы, дисульфид титана (TiS ₂ ) и кобальт лития. оксид (LiCoO ₂ ).

Чтобы избежать проблем с безопасностью металлического лития, Арман предложил сконструировать литий-ионные батареи с использованием двух разных интеркаляционных узлов ^2,3 . Безенхард сообщил о первом графитовом электроде на основе литий-ионной интеркаляции, показав, что графит может интеркалировать несколько ионов щелочных металлов, включая ионы лития ⁴ . Графит интеркалирует ионы Li на основе слоистой структуры с наполовину заполненными орбиталями p _z , перпендикулярными плоскостям, которые могут взаимодействовать с орбиталями Li 2s, чтобы ограничить объемное расширение и рост дендритов.Однако удельная емкость графита (LiC ₆ , 0,372 А · ч г ^–1 ) ¹ намного меньше, чем у металлического лития. Так продолжалось до полного отзыва литий-металлических батарей компанией Moli Energy после нескольких пожаров, что такие интеркалирующие материалы, как графит, все чаще рассматривались как жизнеспособный анод в гонке по замене металлического лития для повышения безопасности. В то время соинтеркаляция электролита (пропиленкарбоната ПК) приводила к расслоению и разрушению графита (рис.1а), что затрудняет его применение в аккумуляторном элементе.

В 1985 году Акира Йошино ⁵ из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитизированный углерод из остатков нефтяного фракционирования, может обратимо интеркалировать ионы Li при низком потенциале ~ 0,5 В относительно Li ⁺ . / Ли без структурного разрушения. Его структурная стабильность обусловлена ​​областями аморфного углерода в нефтяном коксе, служащими ковалентными соединениями для скрепления слоев вместе ⁶ (рис.1а). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~ Li _0,5 C ₆ , 0,186 Ач г ^-1 ) ⁶ , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных батарей благодаря своему устойчивость при езде на велосипеде.

Катод

Чтобы обеспечить высокую емкость металлического лития, сначала рассматривались катоды конверсионного типа, включая фториды, сульфиды или оксиды металлов (рис. 1c). Во время работы от батареи эти материалы реагируют с образованием фаз с различной структурой и новым составом ⁶ .Следовательно, преобразовательные электроды не допускают много циклов, поскольку разрыв связи и преобразование происходят во время каждого цикла.

Зная об ограничении реакций превращения, ученые обратились к новым механизмам накопления ионов лития, которые не предполагают структурного разрушения во время цикла. Халькогениды металлов (MX ₂ ) со слоистой структурой и доступным пространством для хранения литий-ионных гостей привлекли внимание Уиттингема и его сотрудников из Exxon ⁷ , которые показали, что дисульфид титана (TiS ₂ ) может химически интеркалировать Li- ионы во всем стехиометрическом диапазоне с минимальным расширением решетки.В 1973 и 1974 годах Уиттингем применил TiS ₂ в качестве катода для батарей (рис. 1c), а затем продемонстрировал элемент на 2,5 В в 1976 году ⁸ .

Очевидно, низкое напряжение батареи TiS ₂ // Li указывает на то, что ее удельная энергия ограничена. Стремясь найти новые катодные материалы, которые интеркалируют ионы Li при более высоких потенциалах, Гуденаф обратился к оксидным эквивалентам халькогенидов металлов (MX ₂ , где X = O). Он отметил, что вершина полос S-3p ⁶ выше по энергии, чем у полос O-2p ⁶ , что обеспечивает более высокие потенциалы интеркаляции для оксидов металлов, чем сульфиды металлов ⁹ (рис.1в). Более высокая энергия полос S-3p ⁶ в сульфидах металлов приписывается меньшей электростатической энергии Маделунга (больший сульфид-ион) и большей энергии, необходимой для переноса электрона от катиона (M ^{n +} ) на S ^{. —} / S ^2– с бесконечным разделением ⁹ .

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками ¹⁰ . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде кобальта лития (LiCoO ₂ ) ¹¹ , который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4.0 В по сравнению с Li ⁺ / Li и позволял использовать перезаряжаемую батарею 4,0 В в сочетании с литиево-металлическим анодом. Однако кобальт имеет ограниченное количество, что является препятствием для его применения. Шпинель LiMn ₂ O ₄ ¹² с тетраэдрическими ионами лития предлагает окислительно-восстановительный потенциал ~ 4,0 В по сравнению с Li ⁺ / Li при более низкой стоимости. Однако он ограничен проблемами разложения из-за растворения Mn в присутствии ионов H ⁺ (уровень ppm) в электролите.Оксид полианиона Li _x Fe ₂ ( X O ₄ ) ₃ ( X = S, Mo, W и т. Д.) ^13,14 предлагает более высокое напряжение ячейки по сравнению с простыми оксидами например, Fe ₂ O ₃ / Fe ₃ O _4. Ковалентная связь X -O в полианионоксиде ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индуктивного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии пары Fe ^{2 + / 3 +} и, таким образом, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, от <2.5 В для Fe ₂ O ₃ до 3,6 В для Li _x Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости за счет большого количества переходных металлов, таких как Fe, а также улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает плохой электронной проводимостью и более низкой плотностью. Среди трех классов оксидов слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностями энергии остаются любимыми катодами до сих пор ¹⁰ , а электрод LiCoO ₂ в настоящее время является основным катодным материалом, из которого питается большинство персональных электронных устройств.

Электролит

Рабочее окно электролита определяется его НСМО и высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО), которая должна быть выше электрохимического потенциала анода ( мкм _a ) и ниже электрохимического потенциала катод ( μ _c ) соответственно (LUMO> μ _a , HOMO < μ _c ). В качестве альтернативы, стабильный пассивирующий слой SEI должен быть создан на аноде или катоде в случае LUMO < μ _a или HOMO> μ _c , соответственно, ¹ .

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита сделало возможным практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 ^o ° C) по сравнению с EC (36,4 ^° ° C) ⁶ . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурное повреждение графита, что приводит к сокращению срока службы. Исследователи Sanyo ^6,15 заявили об успешном электрохимическом литиировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn ¹⁶ сообщили, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, открывая путь для разработки графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис.1б). С тех пор ЕС стал незаменимым растворителем для литий-ионных аккумуляторов. Потенциальные механизмы, лежащие в основе «несоответствия EC и PC» ¹⁷ объясняются различиями между продуктами их восстановления. Изогнутая цепная структура декарбоната пропилена лития (продукт восстановления ПК) склонна к образованию рыхлых отложений с плохой когезией на поверхности электрода. ЭК имеет тенденцию образовывать соединение интеркаляции графита с более высокой популяцией анионов (например, PF ₆ ^— ) в сольватной оболочке Li ⁺ , чем ПК, что приводит к более высокому содержанию F-содержащего продукта SEI, чей энергетический зазор между LUMO и HOMO велик. достаточно, чтобы изолировать туннелирование электронов от анода, обеспечивая эффективную пассивацию разложения электролита.

Внутри аккумуляторов, питающих ваш автомобиль, телефон и многое другое

Батареи завоевали современный мир, не сильно изменившись.

Смартфон, для сравнения, имеет гораздо меньше общего с предшествующими ему мэйнфреймами. То же самое касается Tesla Model 3 и Ford Model T. Но литий-ионная технология, используемая в сегодняшних батареях, выдержала десятилетия экспоненциального роста — переход от гаджетов к электромобилям и даже порождение нескольких миллиардеров на этом пути — без серьезных изменений в его структура с тех пор, как Sony впервые коммерциализировала эту технологию в 1991 году.

Это не потому, что химики не пробовали. Просто разработка новых материалов, отвечающих промышленным стандартам, — очень сложная проблема.

Все батареи состоят из четырех компонентов: двух электродов (анода и катода), жидкого электролита, который помогает ионам перемещаться между электродами, и разделителя, предотвращающего прямой контакт электродов друг с другом и предотвращающего возгорание. Когда батарея заряжена, ионы текут от катода к аноду. Когда он разряжается, ионы меняют свой курс.

По мере того, как мир движется к быстрому сокращению выбросов парниковых газов, продолжается гонка за то, чтобы подключить к еще более мощным батареям больше вещей: электросети, грузовики, корабли и даже самолеты. Внутреннее пространство этой важной технологии, наконец, готово увидеть драматические изменения, и ряд скрытых стартапов обещает прорывы. QuantumScape Corp. утверждает, что создала новый материал для аккумуляторов, который позволит электромобилям путешествовать дальше и заряжаться намного быстрее, и в результате стартап имеет оценку, которая в последние недели колеблется от 13 до 20 миллиардов долларов, даже без каких-либо доходов от продаж. достопримечательность.Его конкуренты, в том числе такие гиганты, как Samsung и Panasonic, также гонятся за батареями следующего поколения.

Прежде чем мы перейдем к аккумуляторному будущему, важно понять физическую эволюцию современной литий-ионной технологии. Миллиарды людей используют телефоны с более быстрой подзарядкой и автомобили с большей дальностью действия, но немногие из нас могут объяснить, что стоит за этими улучшениями. Это история хитростей: небольшая эффективность производства, небольшие улучшения в материалах и небольшой прирост производительности.

Батарея оценивается по тому, сколько энергии она заряжает. Этот ключевой фактор тесно связан со скоростью зарядки аккумулятора, количеством циклов заряда-разряда, которое он может выдержать, и безопасностью. Повышенная плотность энергии также может сделать его более уязвимым к возгоранию. Более высокая скорость перезарядки может привести к сокращению жизненных циклов.

В конечном счете, цена царит безраздельно. Это определяется тем, сколько энергии может хранить батарея, материалами, из которых она изготовлена, и толщиной электродного покрытия, которое можно нанести без ущерба для характеристик.Чем ниже стоимость, тем дешевле электромобиль.

За последнее десятилетие небольшие разработки привели к совокупному снижению стоимости литий-ионных батарей более чем на 90%. Группа BloombergNEF, занимающаяся исследованиями в области экологически чистой энергии, ожидает, что с учетом будущих разработок в ближайшее десятилетие затраты снизятся вдвое. Электромобили уже сейчас конкурентоспособны во многих странах, если учесть затраты на топливо в течение срока службы автомобиля, но по мере дальнейшего снижения стоимости аккумуляторов даже ориентировочная цена электромобилей будет дешевле, чем цена альтернативы с бензиновым двигателем.

Возвращаясь к началу, литий-ионный аккумулятор был получен в исследовательской лаборатории Exxon еще в 1970-х годах. Металлический литий, из которого сделан анод батареи, продолжал вызывать пожары, что привело к тому, что Exxon отказалась от этой идеи. Академический интерес продолжался, и ученые из разных частей мира разрабатывали более безопасные материалы.

Американский ученый Джон Гуденаф обнаружил, что катоды, полностью сделанные из кобальта, более безопасны и хранят больше энергии. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии в 2019 году.Затем марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что использование графита, формы углерода, в качестве анода, сделало литий-ионную батарею намного более стабильной и, таким образом, помогло ей прослужить дольше. Наконец, Кейдзабуро Тозава, глава аккумуляторного подразделения Sony в 1990-х годах, объединил все эти изобретения, чтобы создать первую коммерческую литий-ионную батарею.

Несмотря на то, что кобальт — дорогой металл, он оставался доступным для использования в небольших батареях ранних ноутбуков и мобильных телефонов. Но как только литий-ионные батареи начали использоваться в электромобилях, химики стали искать более дешевые металлы, такие как никель, марганец и даже железо.

Альтернативные металлы требуют тщательной оценки. Если дешевый металл означает непропорционально худшую производительность батареи, этого не произойдет. Благодаря миллионам экспериментов на рынке стали доминировать три типа катодов: оксиды никель-марганца-кобальта (NMC), оксиды никель-кобальта-алюминия (NCA) и фосфат лития-железа (LFP).

Давайте заглянем внутрь черного ящика, который представляет собой батарею, чтобы понять, как мы сюда попали и что будет дальше.

Сокращение выбросов кобальта с помощью NMC

Одной из первых альтернатив кобальту было использование никеля и марганца, которые превышали способность кобальта накапливать ионы лития.Но полностью потерять кобальт было невозможно. Химики узнали, что кобальт играет роль учителя в школе, дисциплинируя непослушные ионы лития во время их движения и гарантируя, что батарея продержится большее количество циклов заряда-разряда.

За несколько лет исследований химикам удалось увеличить толщину материала анода и катода, которые являются энергоносителями в батарее, по сравнению с другими деталями. Методом проб и ошибок они также нашли смесь, в которой можно было бы использовать меньше кобальта и больше никеля.Все это помогает накапливать больше ионов лития на единицу объема и массы, что помогает увеличить удельную энергию батареи. Это, в свою очередь, увеличивает запас хода автомобиля и снижает его ориентировочную цену.

Алюминий прибывает с Tesla NCA

Вместо марганца Tesla и ее партнер по производству аккумуляторов, Panasonic, обнаружили, что алюминий также может выполнять эту работу. В то время это считалось более рискованным делом, чем химия NMC, но ставка окупилась для Tesla. NCA также был дешевле, чем NMC, потому что это еще больше снизило использование кобальта.Химия стала основой автомобилей Tesla, которые часто могут похвастаться превосходными характеристиками по сравнению с другими электромобилями.

Tesla также обнаружили, что добавление небольшого количества оксида кремния, например, перца в макароны, помогает уменьшить количество графита, необходимое для хранения того же количества ионов лития. Это помогло уменьшить вес батареи без ущерба для производительности и снизить ее стоимость. Модель 3 была выпущена с этим новым химическим составом и помогла Tesla создать самый доступный автомобиль на сегодняшний день.

Кобальт не нужен с LFP

Конечная цель катодных материалов нынешнего поколения — полностью отказаться от использования кобальта. Первой попыткой этого было развитие химии LFP, которая сделала использование железа доступным по очень низким ценам. Батарея хорошо себя показала по большинству показателей, но она не могла удерживать столько ионов лития, сколько могли бы иметь катоды с высоким содержанием кобальта.

Однако экономическая выгода была достаточно большой, чтобы батареи LFP нашли применение в дешевых электромобилях, таких как такси, и в электрических автобусах, которым требовались аккумуляторные блоки гораздо большего размера.Поскольку автобусы нуждаются в гораздо более крупных аккумуляторных батареях, а такси должно быть как можно более дешевым, это помогло сделать самый дешевый литий-ионный аккумулятор лучшим кандидатом для другого сегмента рынка электромобилей.

Более десяти лет работы помогли LFP-батареям улучшить производительность, даже несмотря на то, что они по-прежнему уступают химическим составам катодов на основе кобальта по плотности энергии. Основным преимуществом стало создание стабильной батареи с более толстыми материалами электродов. В сложной химической смеси, которая представляет собой батарею, небольшое увеличение толщины — немалый подвиг.

В будущее твердотельных накопителей

Конечная цель анода в литий-ионной батарее — использовать металлический литий. Поиски по созданию этого материала привели к плачевным результатам. Металлический литий нестабилен и склонен к возгоранию. Внутри аккумулятора при зарядке и разрядке он также имеет тенденцию образовывать тонкие нити, называемые дендритами, которые могут прорезать сепаратор и контактировать с катодом. Это вызывает короткое замыкание, а затем возгорание. Пожары аккумуляторных батарей потушить гораздо труднее, чем возгорания двигателей внутреннего сгорания.

Химики-разработчики аккумуляторов десятилетиями пытались решить проблему дендритов. Одной из многообещающих попыток является использование твердого электролита для замены жидкости в системе и подавления образования дендритов. Эта технология получила новое название: твердотельный аккумулятор. Если твердотельные аккумуляторы появятся на рынке во второй половине этого десятилетия, как и ожидалось, они, вероятно, будут представлять собой большой скачок в производительности аккумуляторов, увеличивая диапазон электромобилей на 50% и сокращая время зарядки до 15. минут.

Поскольку металлический литий выглядит как многообещающий анодный материал, химики-химики снова ищут новые катодные материалы. Ожидается, что эти новые материалы, не содержащие кобальта, еще больше повысят плотность энергии, что может сделать батареи достаточно легкими для питания электрических самолетов.