Майбутнє на батарейках: 7 нових технологій акумуляторів, за якими варто стежити

Чи може одна з нових технологій стати життєздатною заміною літій-іонним батареям? Відповідь на це питання є у вчених, які розробили твердотільні, нікелеві, графенові альтернативи.

Більшість пристроїв, від смартфонів до електромобілів, використовують літій-іонні акумулятори, оскільки вони здатні зберігати значну кількість енергії в невеликому корпусі, швидко заряджатися і довго служити. Але вчені постійно працюють над новими технологіями, щоб конкурувати з літій-іонними батареями з погляду ефективності, вартості та стійкості. Про нові досягнення в акумуляторній галузі розповість Фокус.

Багато з нових технологій працюють так само, як літій-іонні аналоги, але складаються з інших матеріалів. Хоча літій-іонні акумулятори пройшли довгий шлях за останні кілька років, особливо коли йдеться про подовження терміну служби смартфона за повної зарядки або про те, як далеко електромобіль може проїхати на одній зарядці, у них є проблеми. Наприклад, ризик загоряння, нестійкість матеріалів, що використовуються під час їхнього виробництва, а саме кобальту, нікелю і магнію. Однак уже є кілька розробок, які одного разу можуть замінити батареї на основі літію.

Твердотільні акумулятори

Замість того щоб покладатися на рідкий або гелевий електроліт, твердотільні акумулятори використовують твердий електроліт. Ці тверді електроліти зазвичай являють собою кераміку, скло, твердий полімер або виготовляються із сульфітів.

З 2023 року автовиробник BMW тестує твердотільні енергосховища від Solid Power, пише Аuto Week. Однак компанія поки що не зможе виробляти автомобілі з твердотільними акумуляторами до 2030 року. Тим часом Toyota може випустити електрокари з такими батареями вже у 2026 році. Ба більше, вони вже використовуються в кардіостимуляторах і деяких моделях "розумних" годинників, а незабаром ними можуть оснастити такі пристрої, як смартфони та планшети.

Плюси та мінуси твердотільних акумуляторів

Порівняно з літій-іонними акумуляторами, твердотільні більш ефективні, забезпечуючи більшу потужність за того ж розміру батареї. У результаті, акумулятори для електромобілів можуть стати більш компактними, заряджатися швидше і важити менше, що може збільшити запас ходу. Вважається, що твердотільні акумулятори служать довше — за даними журналу CAR Magazine, за термін служби їх можна перезарядити в сім разів частіше. Вони також вважаються безпечнішими, оскільки матеріал твердого електроліту вогнестійкий, на відміну від літій-іонних акумуляторів, які, як відомо, становлять небезпеку загоряння.

Наразі єдиним недоліком твердотільних акумуляторів є те, наскільки складно масштабувати технологію на ранній стадії для широкого використання, з огляду на тестування та обмежені виробничі можливості. Крім того, потрібен час на проєктування і перевірку продуктивності пристроїв, що призводить до затримки випуску для деяких компаній.

Літій-сірчані акумулятори

Ця нова технологія використовує сірку для катода, що набагато екологічніше, ніж нікель і кобальт, які зазвичай містяться в аноді з металевим літієм.

Такі компанії, як Conamix, виробник батарей для електромобілів, працюють над тим, щоб вивести літій-сірчані акумулятори на ринок, прагнучи зробити їх комерційно доступними до 2028 року, згідно з повідомленням ЗМІ CleanTechnica. Є навіть надія, що літій-сірчані сховища енергії можуть використовуватися для живлення літаків і поїздів, пише Electrek.

Плюси та мінуси літій-сірчаних акумуляторів

Літій-сірчані акумулятори вважаються більш ефективними, ніж літій-іонні, що може збільшити запас ходу електрокарів. Крім того, сірка доступна і наявна у великих кількостях, а значить і коштує вона дешевше. І, оскільки процес виробництва цих батарей схожий на той, який використовується для літій-іонних аналогів, то для виробництва можна використовувати ті ж самі потужності. Досягнення в галузі літій-сірчаних акумуляторів також призвели до надшвидкої зарядки і зробили їх корисними для підвищення ємності технологій зберігання відновлюваної енергії.

Одним із основних недоліків є корозія, хоча розробляються нові конструкції, щоб її стримати. Ще одним недоліком є те, що ці акумулятори не служать так довго, як літій-іонні.

Літій-іонні акумулятори без кобальту

Ці акумулятори працюють як літій-іонні, але вони не містять кобальт, який зазвичай використовується для стабілізації катода в аналогах.

Безкобальтові батареї можуть використовуватися в будь-якому пристрої, що працює від літій-іонної батареї, але основну увагу вчені сьогодні приділяють розробці акумуляторів без кобальту для електромобілів. Так, наприклад, компанія Tesla використовує літій-іонні акумулятори без кобальту в деяких моделях електрокарів, повідомляє Electrek. А незабаром вони можуть стати основним продуктом для Lamborghini, оскільки компанія запатентувала нову технологію спільно з MIT, пише The Engineer.

Плюси та мінуси літій-іонних акумуляторів без кобальту

Головна перевага пристроїв полягає в тому, що вони не містять кобальту. Кобальт неймовірно дорогий і його видобуток пов'язаний із порушеннями прав людини. Відомо, наприклад, що Міністерство енергетики США сподівається припинити використання кобальту в літієвих батареях до 2030 року.

Процес видобутку і вилучення кобальту може бути токсичним і небезпечним, а інша альтернатива кобальту, відома як TAQ, все ще нова і вимагає додаткових тестів і вкладень. З цих причин компанії можуть продовжувати покладатися на кобальт, поки не знайдуть інші варіанти.

Натрій-іонні акумулятори

Натрій-іонні батареї схожі на літій-іонні, але використовують солону воду як електроліт, повідомляє сайт acs.org. Вважається, що ці акумулятори підходять для зберігання енергії і можуть навіть використовуватися для забезпечення більш швидкого заряджання електромобілів, мобільних пристроїв і для живлення космічної техніки.

Плюси та мінуси натрій-іонних акумуляторів

Попри низьку щільність енергії, натрій-іонні пристрої здатні зберігати тільки приблизно дві третини кількості енергії, яку може зберігати літій-іонний аналог такого ж розміру. Проте вони набагато доступніші і дуже безпечні завдяки низькому ризику загоряння. Вони також працюють краще за нижчих температур, ніж літій-іонні акумулятори.

Хоча натрій-іонні батареї в минулому були надто неефективні для електромобілів, дослідники працюють над акумуляторами з більш швидким часом зарядки.

Залізо-повітряні батареї

Згідно з інформацією від медіа Popular Mechanics, залізо-повітряні батареї працюють, окислюючи залізо — використовуючи повітря для перетворення заліза на іржу — для виробництва енергії. Під час процесу зарядки батареї елементи перетворюються на залізо шляхом зворотного окислення.

Плюси і мінуси залізо-повітряних батарей

Ці батареї дуже доступні, враховуючи велику кількість заліза і повітря. Насправді, вони в 10 разів дешевші і служать у 17 разів довше.

Єдиними недоліками є їхній великий розмір і повільний час перезаряджання.

Цинкові батареї

Цинкові батареї працюють багато в чому як літій-іонні, в яких іони цинку течуть від анода до катода. Пристрої поділяються на кілька типів: цинк-бромні, цинк-марганцеві, цинк-повітряні та цинк-іонні.

Цинкові аналоги можуть використовуватися для зберігання сонячної енергії через їхню низьку швидкість саморозряду. За даними журналу Powermag, систему зберігання цинк-повітряних батарей встановили у 32-поверховому житловому комплексі в Квінсі, штат Нью-Йорк, у 2022 році. Отримавши кредит у розмірі 400 мільйонів доларів від Міністерства енергетики, стартап Eos Energy прагне поліпшити кліматичні технології та систему електромереж США за допомогою своїх цинкових батарей.

Плюси і мінуси цинкових батарей

Батареї цього виду, як правило, здатні зберігати велику кількість енергії. Крім того, матеріали, що використовуються в їхньому виробництві, доступні за ціною, нетоксичні, є в достатку пише PV Magazine.

Але дослідники все ще працюють над вирішенням деяких технічних проблем, пов'язаних з цими акумуляторами, а саме, з ризиком короткого замикання. Цинкові батареї також неефективні та дорогі у виробництві, тому необхідні додаткові дослідження, перш ніж їх можна буде використовувати більш широко.

Графенові батареї

Графенові батареї складаються з катодів, які являють собою гібрид твердотільних матеріалів і графена, що складається з тонкого шару атомів вуглецю, розташованих у стільниковій структурі.

Такі акумулятори розглядаються як серйозний конкурент літій-іонним аналогам і, як очікується, змінять індустрію електромобілів до наступного десятиліття. Гаджети, як-от смартфони та ноутбуки, смартгодинники та фітнес-браслети, навушники та планшети, також можуть бути оснащені графеновими батареями для підвищення їхньої продуктивності, йдеться в матеріалі Azonano.

Плюси і мінуси графенових батарей

Графенові пристрої набагато більш провідні, ніж їхні літій-іонні аналоги, що призводить до більш швидкого заряджання електроніки та електрокарів, збільшення ємності та продовження терміну служби батарей загалом. Міцна структура графена також робить його надійнішим матеріалом, ніж літій, що знижує ризик вибухів і загорянь.

Єдиним недоліком графенових батарей є їхня вартість. Оскільки компанії ще не знайшли спосіб масового виробництва, ця технологія залишається дорогою і значною мірою недоступною для широкого загалу на даний момент.