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
Компания Dyson представила инновацию в мире аккумуляторов — «фарфоровый аккумулятор». В отличие от традиционных литий-ионных батарей, где электролитом служит жидкость, в новой разработке используется твердое тело. Этот аккумулятор не только апирогенен, что означает отсутствие вредных веществ, но и не деградирует в процессе эксплуатации. Его энергетическая плотность в два раза выше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов, благодаря чистому металлическому литию внутри керамической оболочки. Более того, с повышением температуры эффективность отдачи энергии увеличивается, что исключает необходимость дополнительного охлаждения.
Однако, есть и недостатки. Увеличение массы батареи и её хрупкость — это серьезные препятствия на пути к массовому использованию. Инженерам предстоит разработать способы защиты аккумулятора от ударов, чтобы сделать его более надежным в повседневной жизни.
В Университете Калифорнии профессор Коди Фризен предложил еще одно перспективное решение для небольших батарей, таких как те, что используются в телефонах. В его разработке роль электролита выполняют ионные жидкости, которые не испаряются и обладают высокой химической стабильностью. Эти жидкости являются отличными проводниками электрического тока, но основная проблема заключается в их дороговизне производства. Тем не менее, преимущества настолько значительны, что на решение этой задачи был выделен грант в размере 5,13 миллиона долларов.
Батарея с ионной жидкостью обещает иметь емкость в 11 раз больше, чем у традиционного литий-ионного аккумулятора того же размера. Благодаря высокой химической стабильности, можно использовать более энергоемкие металлы, такие как цинк, что открывает новые возможности для улучшения производительности батарей.
Графен и суперконденсаторы
Университет Центральной Флориды погрузился в разработку передовых технологий, которые обещают совершить революцию в мире аккумуляторов. Их детище — суперконденсаторы, обладающие впечатляющими характеристиками. В отличие от привычных литий-ионных батарей, эти устройства служат в двадцать раз дольше, весят гораздо меньше и заряжаются в разы быстрее.
Суперконденсаторы давно известны в научных кругах, но их потенциал долгое время оставался недооценённым. Они выделяются своей способностью к мгновенной зарядке и высокой электрической ёмкостью. Хотя плотность энергии у них ниже, чем у традиционных аккумуляторов, время зарядки измеряется в секундах, что делает их идеальными для устройств, требующих быстрого восстановления заряда.
Недавно команда учёных, работающая на Samsung, запатентовала новый тип батарей для ноутбуков и смартфонов, основанный на использовании графена. Этот материал не только ускоряет процесс зарядки, но и значительно продлевает срок службы аккумуляторов. Теперь смартфоны будут заряжаться в пять раз быстрее, что означает, что даже при интенсивной эксплуатации устройство можно будет полностью восстановить всего за несколько минут.
Эти достижения открывают новые горизонты для портативной электроники, делая её более удобной и эффективной.
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.
