Новые виды батарей 9 самых многообещающих технологий
Инженеры и ученые перетряхнули всю таблицу Менделеева в поисках вещества, которое даст ключ к легкой, удобной, дешевой энергии — и фантастическому успеху на рынке. «Цифровой океан» выбрал девять самых многообещающих технологий.
ЛИТИЙСЕРНЫЕ АККУМуЛЯТОРЫ (Li-S)
Разработчики: Lyten, Samsung, LG Chem, OXIS Energy, Panasonic, Solid Power, Sila Nanotechnologies.
Назначение: электромобили (EV), авиация (БПЛА), портативная электроника, космические аппараты.
Преимущества: высокая теоретическая энергоемкость серы (1672 мА∙ч/г) открывает возможности для создания более компактных решений в сравнении с традиционными катодными материалами. Сера гораздо дешевле и доступнее редкоземельных металлов, а батареи на ее основе более пожаробезопасны, чем литийионные. Это особенно важно для таких массовых устройств, как смартфоны.
Принцип работы: в электрохимической реакции литий (Li) и сера (S) выступают в качестве основных материалов для анода и катода соответственно. Во время цикла разряда атомы лития на аноде теряют электроны (окисляются), образуя ионы лития (Li+). Затем ионы перемещаются через электролит к катоду, соединяются с серой, образуя в процессе разряда полисульфиды лития. В результате высвобождаются электроны, которые проходят через внешнюю цепь, создавая ток.
Когда выйдут на рынок: литийсерные аккумуляторы уже продаются, но их коммерческое применение пока ограничено из-за проблем с набуханием серного катода и, как следствие, быстрой деградации. Некоторые компании объявили о планах по выпуску литийсерных аккумуляторов для коммерческого использования. Например, Lyten планирует начать поставки для электромобилей в 2025 или 2026 году.
Сера — на российское производство приходится 10,3 % от мирового рынка
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ АККуМУЛЯТОРЫ
Разработчик: Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT).
Применение: электромобили (EV), телефоны, ноутбуки.
Преимущества: твердотельные батареи более безопасны из-за отсутствия жидкого электролита и обладают высокой плотностью энергии, что делает их идеальными для применения в условиях ограниченного веса и размера, например в портативной электронике. Ожидается, что твердотельные батареи будут служить дольше обычных литийионных и поддерживать более высокие зарядные токи, что важно для быстрой «дозаправки» электромобилей.
Принцип работы: твердый электролит, который может быть изготовлен из различных материалов, включая полимеры, керамику или сульфиды, проводит ионы лития между анодом и катодом, при этом электрически изолируя их друг от друга. Компания Samsung делает ставку на использование в качестве анода композитного слоя серебро-углерод (Ag-C), который позволяет увеличить емкость и срок службы батареи за счет уменьшения проблем с дендритами (древовидными наростами) на электродах.
Когда выйдут на рынок: Samsung активно инвестирует в поиск подходящих материалов для твердых электролитов, обеспечивающих высокую ионную проводимость и стабильность. В 2022 году компания представила прототип твердотельного аккумулятора, который имеет емкость 4000 мА∙ч и может заряжаться до 80 % всего за 15 минут, но коммерческое производство планируется запустить только в 2025-м.
Серебро — Россия на втором месте в мире по запасам этого металла (122,9 тыс. тонн)
МАГНИЕВЫЕ БАТАРЕИ
Разработчики: Tesla, Toyota, Honda, Nissan.
Применение: электромобили, бытовая электроника.
Преимущества: магний — это девятый по распространенности элемент в земной коре, поэтому он является более доступным, чем литий. Кроме того, магний обладает более высокой плотностью энергии, то есть может хранить больше энергии в заданном объеме. Магниевые батареи также менее склонны к возгоранию или взрыву, чем литийионные аккумуляторы. Телефоны с такой батареей стали бы легче и безопаснее.
Принцип работы: магний выступает в качестве отрицательного электрода. Положительный электрод может быть изготовлен из различных материалов, таких как литий, марганец или кобальт. Задача исследователей сейчас состоит в поиске материалов, способных эффективно и обратимо интеркалировать (встраивать) ионы магния во время процессов зарядки и разрядки.
Когда выйдут на рынок: распространение магниевых батарей ожидается в ближайшие годы. Некоторые компании уже объявили о планах по запуску коммерческого производства. Например, компания Toyota планирует начать поставки магниевых батарей для электромобилей в 2025 году. Точные сроки зависят от того, насколько быстро удастся решить технические проблемы, такие как высокое внутреннее сопротивление и склонность к окислению.
Магний — по запасам магнезита Россия занимает первое место в мире (2,3 млн тонн)
НАТРИйИОННЫЕ БАтАРЕИ
Разработчик: Northvolt.
Применение: электромобили, хранение энергии от возобновляемых источников, промышленные роботы.
Преимущества: натрийионные батареи Northvolt имеют плотность энергии, сравнимую с таковой у литийжелезофосфатных аккумуляторов, которые в настоящее время используются в некоторых электромобилях. Но натрий более дешевый и доступный материал, чем литий. Натрийионные батареи могут работать при более высоких температурах, чем литийионные, что важно для хранения больших объемов энергии, например от солнечных электростанций.
Принцип работы: в качестве носителей заряда используются ионы натрия (Na+), которые перемещаются между катодом и анодом во время циклов зарядки и разрядки. Основной научной задачей сейчас является разработка стабильных электролитов, поддерживающих быстрый перенос ионов. Натрийионные батареи обычно имеют более низкую плотность энергии, чем литийионные, поэтому плохо подходят для носимых устройств.
Когда выйдут на рынок: Northvolt планирует начать коммерческое производство натрийионных батарей в 2024 году. Компания собирается использовать их в своих собственных электромобилях и в электромобилях других производителей.
Натрий — около 19 млн км3 составляет объем соединений натрия в Мировом океане
ЛИТИЙИОННЫЕ АККУМУЛяТОРЫ С КРЕМНИЕВЫМ АНоДОМ
Разработчик: Amprius Technologies.
Применение: электромобили, портативная техника.
Преимущества: кремний обладает гораздо большей теоретической емкостью, чем графитовые аноды, которые в настоящее время используются в большинстве литийионных батарей. Компания Amprius разработала запатентованный материал кремниевого анода, который, по их утверждению, может достигать емкости до 2000 Вт•ч/кг. Это более чем в два раза превышает возможности самых энергоемких батарей с графитовым анодом. Батареи с кремниевыми анодами могут заряжаться и разряжаться гораздо быстрее, чем традиционные литийионные батареи, а значит, сделают электромобили более практичными.
Принцип работы: технологически новые батареи схожи с традиционными литийионными. Отличие только в материале, из которого изготовлен анод. В этих батареях ионы лития перемещаются от анода к катоду во время разряда и обратно во время зарядки. Однако кремниевые аноды могут поглощать гораздо больше лития, чем графитовые, что приводит к значительному увеличению емкости. Технической проблемой остается значительное (до 300 %) расширение объема анода при приеме ионов лития.
Когда выйдут на рынок: в настоящее время Amprius разрабатывает прототипы батарей с кремниевыми анодами для использования в электромобилях. Компания планирует начать коммерческое производство в 2025 году.
Кремний — Россия занимает второе место по производству (7 %)
ЛИТИЙВОЛЬФРАМОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ С НАНОПРОВОЛОКАМИ
Разработчик: N1 Technologies Inc.
Применение: электромобили, портативная техника.
Преимущества: концепция литийвольфрамовых батарей NanoBolt подразумевает использование наноразмерных материалов, в частности вольфрамовых нанопроволок, для увеличения плотности энергии, срока службы и скорости зарядки батарей. Интеграция вольфрамовых нанопроволок должна решить проблему изменения объема при поглощении лития анодом. Нанотрубки готовы к разрезанию по размеру для использования в любой конструкции литиевой батареи, что повышает универсальность технологии.
Принцип работы: идея заключается во включении вольфрама и углеродных нанотрубок в структуру анода литиевых батарей. Это может создать паутинообразную структуру с увеличенной площадью поверхности для прикрепления ионов лития во время циклов заряда и разряда, что потенциально приведет к ускорению зарядки, повышению плотности энергии и увеличению срока службы по сравнению с обычными литийионными батареями.
Когда выйдут на рынок: хотя концепция литийвольфрамовых нанопроволочных батарей теоретически имеет высокий потенциал, делать какие-либо окончательные выводы об их эффективности или доступности преждевременно. О коммерчески доступных батареях NanoBolt или широко распространенных исследовательских проектах с использованием этой технологии речи пока не идет.
Вольфрам — российские запасы достигают 1318,6 тыс. тонн
ЦИНКОВО-МАРГАНЦЕВООКСИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Разработчики: LG Chem, Samsung SDI, Toyota.
Применение: электромобили, зеленая энергетика.
Преимущества: традиционно батареи Zn-MnO2 использовались в неперезаряжаемом формате. Однако последние исследования направлены на создание перезаряжаемых версий. Эти батарейки считаются более безопасными, с меньшим риском теплового разряда и пожаров по сравнению с литийионными. Кроме того, в них используются менее токсичные и более экологичные материалы, что делает их привлекательными для хранения возобновляемой энергии. Также возможно нишевое применение на рынке коммерческих электромобилей.
Принцип работы: для повышения плотности энергии разрабатываются новые материалы положительного электрода. Например, исследователи из Университета Цинциннати делают его из марганцевого оксида, смешанного с графитом. Идет поиск новых материалов и для электролита — например, электролит из органических растворителей и полимеров имеет более высокую электропроводность, что позволяет увеличить скорость зарядки.
Когда выйдут на рынок: ученые ищут решение проблем, связанных с растворением цинка и необратимым превращением MnO2 во время циклов разрядки-зарядки. Также на цинковых анодах во время зарядки образуются дендриты, что может привести к короткому замыканию. Тем не менее компания LG Chem планирует поставлять аккумуляторы с марганцево-оксидными электродами, смешанными с графитом, в 2025 году.
Цинк — запасы России составляют 58,8 млн тонн
НИКЕЛЬВОДОРОДНАЯ БАТАРЕЯ
Разработчики: Toyota, Honda, NASA.
Применение: космические аппараты, военная и специальная техника, стационарные источники питания, электромобили премиум-класса.
Преимущества: никельводородные батареи имеют плотность энергии выше, чем у литийионных аккумуляторов, могут выдерживать до 2000 циклов заряда-разряда, не склонны к возгоранию или взрыву. Однако высокая стоимость, обусловленная использованием газообразного водорода под давлением и сложной конструкцией, ограничивает их применение теми сферами, где цена вторична.
Принцип работы: никельводородная батарея (NiH2) использует никель в качестве положительного электрода и водород в качестве отрицательного электрода. Водород в газообразной форме хранится в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар. В результате реакции разряда на положительном электроде образуется оксид никеля, а на отрицательном — вода; при зарядке на положительном электроде образуется никель, а на отрицательном — водород.
Когда выйдут на рынок: никельводородные батареи используются в некоторых электромобилях, таких как Toyota Mirai и Honda Clarity Fuel Cell, а также в космических аппаратах, например на Международной космической станции. Исследователи создают новые, более дешевые типы никельводородных батарей, которые смогут стать массовым продуктом в ближайшие 5–10 лет.
Никель — в России находится 22 % мировых запасов этого металла
КИСЛОРОДНОИОННЫЙ АККУМуЛЯТОР
Разработчики: Samsung SDI, LG Chem, Toyota, Panasonic.
Применение: космические аппараты, буферные накопители в энергетике, электромобили.
Преимущества: кислород является очень дешевым и доступным материалом, при этом аккумуляторы на его основе могут выдерживать до 10 000 циклов заряда-разряда — в 10 раз больше, чем литийионные. Кроме того, кислородно-ионные аккумуляторы абсолютно не склонны к возгоранию или взрыву. Однако они требуют специального оборудования для охлаждения и защиты от попадания влаги, а также довольно дороги, что ограничивает их применимость.
Принцип работы: основан на обратимом перемещении ионов кислорода между катодом и анодом, в результате которого накапливается или высвобождается энергия. Интерес к кислородно-ионным механизмам в первую очередь обусловлен исследованиями в области твердооксидных топливных элементов (SOFC) и металло-воздушных батарей, где кислород играет критическую роль в электрохимических реакциях.
Когда выйдут на рынок: основная проблема этого типа аккумуляторов — высокая рабочая температура, при которой достигается достаточная ионная проводимость и плотность энергии. В 2023 году исследователи из Технологического университета Вены объявили о создании кислородно-ионной батареи, которая имеет плотность 100 Вт•ч/кг. Это сопоставимо с литийионными аккумуляторами и открывает возможность коммерческого использования. Samsung SDI планирует начать поставки кислородно-ионных аккумуляторов для электромобилей в 2025 году.
Кислород — в промышленных масштабах его добывают прямо... из воздуха
Читайте также, что такое литий и как его используют:
Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 22 (март-апрель), 2024, Andriy Onufriyenko / Moment / Getty Images, 270770 / E+ / Getty Images, Ivar Leidus (cc by-sa), Mark Fergus / CSIRO (cc by), Dennis S. K. aka Dnn87 (cc by-sa, Warut Roonguthai (cc by-sa), Alchemist-hp (cc by-nc-nd), Kerrick / E+ / Getty Images, KATERYNA KON / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Imago Images / Legion-media, Staff Sgt. Nika Glover, U. S. Air Force
