Будущее на батарейках: 7 новых технологий аккумуляторов, за которыми стоит следить

Большинство устройств, от смартфонов до электромобилей, используют литий-ионные аккумуляторы, так как они способны хранить значительное количество энергии в небольшом корпусе, быстро заряжаться и долго служить. Но ученые постоянно работают над новыми технологиями, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями с точки зрения эффективности, стоимости и устойчивости. О новых достижениях в аккумуляторной отрасли расскажет Фокус.

Многие из новых технологий работают так же, как литий-ионные аналоги, но состоят из других материалов. Хотя литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь за последние несколько лет, особенно когда речь идет о продлении срока службы смартфона при полной зарядке или о том, как далеко электромобиль может проехать на одной зарядке, у них есть проблемы. Например, риск возгорания, неустойчивость материалов, используемых при их производстве, а именно кобальта, никеля и магния. Однако уже есть несколько разработок, которые однажды могут заменить батареи на основе лития.

Твердотельные аккумуляторы

Вместо того чтобы полагаться на жидкий или гелевый электролит, твердотельные аккумуляторы используют твердый электролит. Эти твердые электролиты обычно представляют собой керамику, стекло, твердый полимер или изготавливаются из сульфитов.

С 2023 года автопроизводитель BMW тестирует твердотельные энергохранилища от Solid Power, пишет Аuto Week. Однако компания пока что не сможет производить автомобили с твердотельными аккумуляторами до 2030 года. Между тем, Toyota может выпустить электрокары с такими батареями уже в 2026 году. Более того, они уже используются в кардиостимуляторах и некоторых моделях "умных" часов, а вскоре ими могут оснастить такие устройства, как смартфоны и планшеты.

Плюсы и минусы твердотельных аккумуляторов

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами твердотельные более эффективны, обеспечивая большую мощность при том же размере аккумулятора. В результате аккумуляторы для электромобилей могут стать более компактными, заряжаться быстрее и весить меньше, что может увеличить запас хода. Считается, что твердотельные аккумуляторы служат дольше — по данным журнала CAR Magazine, за срок службы их можно перезарядить в семь раз чаще. Они также считаются более безопасными, поскольку материал твердого электролита огнестойкий, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые, как известно, представляют опасность возгорания.

В настоящее время единственным недостатком твердотельных аккумуляторов является то, насколько сложно масштабировать технологию на ранней стадии для широкого использования, учитывая тестирование и ограниченные производственные возможности. Кроме того, требуется время на проектирование и проверку производительности устройств, что приводит к задержке выпуска для некоторых компаний.

Литий-серные аккумуляторы

Эта новая технология использует серу для катода, что гораздо экологичнее, чем никель и кобальт, которые обычно содержатся в аноде с металлическим литием.

Такие компании, как Conamix, производитель батарей для электромобилей, работают над тем, чтобы вывести литий-серные аккумуляторы на рынок, стремясь сделать их коммерчески доступными к 2028 году, согласно сообщению СМИ CleanTechnica. Есть даже надежда, что литий-серные хранилища энергии могут использоваться для питания самолетов и поездов, пишет Electrek.

Плюсы и минусы литий-серных аккумуляторов

Литий-серные аккумуляторы считаются более эффективными, чем литий-ионные, что может увеличить запас хода электрокаров. Кроме того, сера доступна и имеется в больших количествах, а значит и стоит она дешевле. И поскольку процесс производства этих батарей похож на тот, который используется для литий-ионных аналогов, то для производства можно использовать те же самые мощности. Достижения в области литий-серных аккумуляторов также привели к сверхбыстрой зарядке и сделали их полезными для повышения емкости технологий хранения возобновляемой энергии.

Одним из основных недостатков является коррозия, хотя разрабатываются новые конструкции, чтобы ее сдержать. Еще одним недостатком является то, что эти аккумуляторы не служат так долго, как литий-ионные.

Литий-ионные аккумуляторы без кобальта

Эти аккумуляторы работают как литий-ионные, но они не содержат кобальт, который обычно используется для стабилизации катода в аналогах.

Безкобальтовые батареи могут использоваться в любом устройстве, работающем от литий-ионной, но основное внимание ученые сегодня уделяют разработке аккумуляторов без кобальта для электромобилей. Так, к примеру, компания Tesla использует литий-ионные аккумуляторы без кобальта в некоторых моделях электрокаров, сообщает Electrek. А вскоре они могут стать основным продуктом для Lamborghini, поскольку компания запатентовала новую технологию совместно с MIT, пишет The Engineer.

Плюсы и минусы литий-ионных аккумуляторов без кобальта

Главное преимущество устройств заключается в том, что они не содержат кобальт. Кобальт невероятно дорог, и его добыча связана с нарушениями прав человека. Известно, например, что Министерство энергетики США надеется прекратить использование кобальта в литиевых батареях к 2030 году.

Процесс добычи и извлечения кобальта может быть токсичным и опасным, а другая альтернатива кобальту, известная как TAQ, все еще нова и требует дополнительных тестов и вложений. По этим причинам компании могут продолжать полагаться на кобальт, пока не найдут другие варианты.

Натрий-ионные аккумуляторы

Натрий-ионные батареи похожи на литий-ионные, но используют соленую воду в качестве электролита, сообщает сайт acs.org. Считается, что эти аккумуляторы подходят для хранения энергии и могут даже использоваться для обеспечения более быстрой зарядки электромобилей, мобильных устройств и для питания космической техники.

Плюсы и минусы натрий-ионных аккумуляторов

Несмотря на низкую плотность энергии, натрий-ионные устройства способны хранить только примерно две трети количества энергии, которое может хранить литий-ионный аналог того же размера. Тем не менее, они намного более доступны и очень безопасны благодаря низкому риску возгорания. Они также работают лучше при более низких температурах, чем литий-ионные аккумуляторы.

Хотя натрий-ионные батареи в прошлом были слишком неэффективны для электромобилей, исследователи работают над натрий-ионными с более быстрым временем зарядки.

Железо-воздушные батареи

Согласно информации от медиа Popular Mechanics, железо-воздушные батареи работают, окисляя железо — используя воздух для превращения железа в ржавчину — для производства энергии. Во время процесса зарядки батареи элементы преобразуются в железо путем обратного окисления.

Плюсы и минусы железо-воздушных батарей

Эти батареи очень доступны, учитывая обилие железа и воздуха. На самом деле, они в 10 раз дешевле и служат в 17 раз дольше.

Единственными недостатками являются их большой размер и медленное время перезарядки.

Цинковые батареи

Цинковые батареи работают во многом как литий-ионные, в которых ионы цинка текут от анода к катоду. Устройства делятся на несколько типов: цинк-бромные, цинк-марганцевые, цинк-воздушные и цинк-ионные.

Цинковые аналоги могут использоваться для хранения солнечной энергии из-за их низкой скорости саморазряда. По данным журнала Powermag, система хранения цинк-воздушных батарей была установлена ​​в 32-этажном жилом комплексе в Квинсе, штат Нью-Йорк, в 2022 году. Получив кредит в размере 400 миллионов долларов от Министерства энергетики, стартап Eos Energy стремится улучшить климатические технологии и систему электросетей США с помощью своих цинковых батарей.

Плюсы и минусы цинковых батарей

Батареи этого вида, как правило, способны хранить большое количество энергии. Кроме того, материалы, используемые в их производстве, доступны по цене, нетоксичны, находятся в изобилии пишет PV Magazine.

Но исследователи все еще работают над решением некоторых технических проблем, связанных с этими аккумуляторами, а именно, с риском короткого замыкания. Цинковые батареи также неэффективны и дороги в производстве, поэтому необходимы дополнительные исследования, прежде чем их можно будет использовать их более широко.

Графеновые батареи

Графеновые батареи состоят из катодов, которые представляют собой гибрид твердотельных материалов и графена, состоящего из тонкого слоя атомов углерода, расположенных в сотовой структуре.

Такие аккумуляторы рассматриваются как серьезный конкурент литий-ионным аналогам и, как ожидается, изменят индустрию электромобилей к следующему десятилетию. Гаджеты, такие как смартфоны и ноутбуки, смарт-часы и фитнес-браслеты, наушники и планшеты, также могут быть оснащены графеновыми батареями для повышения их производительности, говорится в материале Azonano.

Плюсы и минусы графеновых батарей

Графеновые устройства гораздо более проводящие, чем их литий-ионные аналоги, что приводит к более быстрой зарядке электроники и электрокаров, увеличению емкости и продлению срока службы батарей в целом. Прочная структура графена также делает его более надежным материалом, чем литий, что снижает риск взрывов и возгораний.

Единственным недостатком графеновых батарей является их стоимость. Поскольку компании еще не нашли способ массового производства, эта технология остается дорогой и в значительной степени недоступной для широкой публики на данный момент.