С годами всё больше и больше устройств в окружении человека хранит и использует электрическую энергию. Вместе с увеличением возможностей портативной электроники растет спрос на всё лучшие батареи. Как будут выглядеть аккумуляторы, которые в будущем будут питать мобильные телефоны, ноутбуки, и даже целые дома?
Во-первых, нужно ответить на, казалось бы, банальный вопрос: почему именно электричество? На это есть множество причин. Первой из них является простота хранения. Представьте себе столь же эффективный способ хранения и передачи энергии. Бензиновый телефон, угольная стиральная машина или паровой компьютер – это ведь неразумно!
На ум сразу напрашивается ещё одно преимущество электричества: чистота. Используя устройство с электрической батареей, нам не приходится вдыхать выхлопных газов или проливать бензин. Нет и шума.
Электричество будет сопровождать нас на каждом шагу ещё в течение долгих десятилетий. Достойных конкурентов у него пока нет. Вопрос только в том, как лучше хранить электроэнергию.
Неизменные основы хранения электроэнергии
За создание первой электрической батареи в году 1799 «отвечает» Алессандро Вольт. Многоразовую аккумуляторную батарею изобрел, в свою очередь, Гастон Плант – предыдущие версии батарей при разряде становились бесполезными. Изобретение Планта было основано на свинце и кислотах, в этой форме, собственно, мы используем его и сегодня.
1989 год принес настоящую революцию: никель-кадмиевые аккумуляторы, которые позволили создать первые беспроводные ручные инструменты, а позднее и первые автомобили с гибридным приводом. Проблемой этого типа аккумуляторов является «эффект памяти» и связанная с этим «гигиена использования» – если не разрядить батарею до конца перед зарядкой, её емкость «уменьшается» и возникают «скачкообразные» падения напряжения во время использования.
Другой тип резервуара энергии, которым мы пользуемся каждый день, являются литий-полимерные аккумулятор, применяемые, например, в ноутбуках или телефонах. Этот тип батареи является более дорогим в производстве, поэтому их используют в оборудовании более высокого класса.
Что дальше с технологиями хранения электроэнергии
Несмотря на развитие технологий, плотность энергии в литий-ионных аккумуляторах меньше, чем даже в древесном мазуте. В настоящее время наибольшую плотность энергии имеет сжатый водород, а наибольшую объемную производительность показывает дизельное топливо.
Но, что самое главное, спрос на электрическую энергию растёт очень быстро. Аккумуляторы небольших размеров приобретают всё большее значение на рынке.
С конца XX века очень динамично развивается технология литий-ионных аккумуляторов, в настоящее время составляющих около половины всех малых аккумуляторных батарей, ходящих в обороте. Их конкуренты, никель-металлогидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы потеряли свою долю, став, скорее, средством питания игрушек и некоторых ручных инструментов.
Количество литий-ионных аккумуляторов постоянно растет, вместе с ростом количества производимых телефонов и ноутбуков – в 90-е годы прошлого века их было продано менее 0,1 млрд. штук, а в 2015 году уже более 4-х миллиардов.
К сожалению, литий-ионная технология практически достигла границы своих возможностей, и этот вид батареи – несмотря на множество преимуществ – не справляется с потребностями современных пользователей.
Очевидно, что в ближайшее время мы создадим что-то лучшее или перейдём на совершенно другой источник энергии. Давайте посмотрим, как это может выглядеть.
Улучшение современных батарей
Благодаря Samsung, уже в 2021 году должны появиться улучшенные цилиндрические литий-ионные аккумуляторы, называемые в народе 21 700. Тот же тип аккумуляторной батареи будет выпускаться с компанией Tesla в сотрудничестве с Panasonic. В соответствии с сообщениями, полученными из различных источников масса батареи снизить на 10 проц., а стоимость производства на 30% – вопрос только, на сколько это просто.
Такие компании, как Samsung, Sony или Toshiba уже неоднократно пытались получать энергию из метилового спирта. То есть смартфоны генерируют электричество путём сжигания метанола. Уже неоднократно были представлены проекты на на многочисленных технологических выставках, однако аудитория была не в восторге. Почему?
Идея использования спиртов кажется пользователям немного странной. Такую батарею нужно «заправляться», так что потребуется бак, насос и преобразователь. Метанол является для человека ядовитым, поэтому его нужно упаковывать в герметичные контейнеры.
Тем не менее, эта технология была встречена с большим интересом в военной сфере. Здесь большим преимуществом является очень короткое время зарядки (т. е. – пополнения запаса топлива) и очень большая производительность.
Фарфоровые аккумуляторы
Ученые из компании Dyson создали «фарфоровый аккумулятор». На месте типичного электролита появилось твердое тело, в отличие от современных аккумуляторов, является апирогенным и не деградирует по мере использования. Количество энергии на единицу объема в керамической батарее в два раза больше, чем в случае классической литий-ионного аккумулятора. Такая производительность возможна, потому что внутри керамической оболочки чистый металлический литий. С увеличением температуры такого резервуара отдача энергии улучшается, поэтому нет необходимости дополнительного охлаждения.
К сожалению, применение керамики приводит к значительному увеличению массы. Кроме того, чтобы начать использовать такие батареи в повседневной жизни, инженеры должны будут подготовить их к ударам: в настоящее время их очень легко разбить.
Ещё одно решение проблемы небольших батарей, предназначенных, в основном, для телефонов, появилось на Университете Штата Калифорнии. Тамошний профессор, Коди Фризен, разработал батарею, в которой роль электролита выполняют ионные жидкости, которые не испаряются и химически более стабильны. Конечно, они являются проводниками электрического тока. Трудность, однако, заключается в поиске способа их дешевого производства. Преимущества этого решения на столько большое, что над этой проблемой стоит поработать – поэтому даже был выделен грант в размере 5,13 миллиона долларов!
Емкость батареи с ионной жидкостью должна быть в 11 раз больше, чем литий-ионного аккумулятора того же размера. Кроме того, благодаря высокой химической устойчивости, можно будет использовать металлы с большей плотностью энергии, чем используемый сегодня цинк.
Графен и суперконденсаторы
В Университете Центральной Флориды ученые взялись за действительно передовые технологии. Эффект впечатляет: в двадцать раз более долгий срок службы батареи по сравнению с литий-ионным аккумулятором, а главное – очень малый вес и быстрая зарядка.
Для создания были использованы суперконденсаторы: они известны давно, но до сих пор недооценивались. Их отличает очень быстрое время зарядки и очень большая электрическая емкость. Правда, плотность энергии на порядок ниже, чем в классических аккумуляторах, но время зарядки исчисляется в секундах.
Ученые, работающие для Samsung, недавно запатентовали новый тип батарей для ноутбуков и смартфонов. Внутри аккумуляторов нового поколения используется графен, который позволяет обеспечить не только быстрое время загрузки, но также продлевает срок службы батареи. Зарядка быстрее в пять раз, что на практике означает, что средний смартфон будет полностью заряжен через несколько минут после подключения к розетке.
Где брать электричество для всех аккумуляторов
Как видите, возможностей для развития батарей много и много компаний вкладывают в их развитие. Это делается для того, быть готовыми к запросам будущего – не только в отношении автомобилей и телефонов.
Хранение энергии – это гораздо более значимый вопрос, который отразится на глобальной экономике энергией. Сегодня известно, что уже через 50 лет генерация электроэнергии будет базировать, в основном, на возобновляемых источниках. Это просто необходимо, как из-за заканчивающихся невозобновляемых ресурсов, так из-за ущерба, наносимого природной среде.
Одной из базовых проблем, связанных с генерацией электроэнергии из ветра или солнечного излучения – отсутствие регулярности. Один день ветер дует сильнее, другой – воздух стоит на месте и нужно вновь запускать электростанции на угле угле или газе. Также обстоят дела с солнечной энергией. Поэтому в будущем аккумуляторы будут очень важным элементом повседневной жизни, так как будут использоваться в качестве локальных хранилищ запасов энергии.
Уже сегодня идут эксперименты с центральными батареями, которые собирают энергию, произведенную жителями региона. Дома, оснащенные фотоэлементами, соединены в сети, в центре которой находится большая батарея. Её заряжают, когда имеется избыток энергии, и берут от неё электроэнергию, когда появляется такая потребность.
Такой тест проводят, например, в Нью-Йорке, где 50 домов подключено к подобной сети. Был создан так называемый «blockchain», распределенная база данных, позволяющая вести виртуальную торговлю энергией непосредственно между отдельными пользователями.
Специальная база данных отмечает производство и потребление энергии в отдельных домах. Таким образом, дома, которые имеют дефициты тока, могут «приобрести» его у соседей, чтобы потом отдать долг аналогичным образом.
Как утверждает ряд ученых, такой подход позволит избавиться от зависимости от невозобновляемых ресурсов.
Утилизация – чтобы жилось лучше
Говоря об аккумуляторах, стоит упомянуть о производстве и утилизации. К сожалению, отход от невозобновляемых источников энергии не обязательно связан с отказом от добычи драгоценных ресурсов или эксплуатации рабочих в странах, располагающих природными благами.
Нужно помнить, что для изготовления самих батареек нужны очень ценные материалы, например, цена кобальта достигает 27 тысяч долларов за тонну, а свинца – около 10 тысяч за тонну.
Большинство графита на мировом рынке родом из Китая, а основными добытчиками лития являются Аргентина, Чили и Боливия. Значительная часть кобальта добывается в Демократической Республике Конго.
Как вы видите, не трудно догадаться об эксплуататорских условиях труда в таких местах или социальных конфликтах. Будем надеяться, что эти материалы не станут преемниками нефти, когда спрос на них резко возрастет.
И надеюсь, что ученые заранее озаботятся методами переработки использованных батарей, потому что, в противном случае, мы утонем в использованных чудесах технологии, как в настоящее время нас душат выхлопные газы.
