Хочете проїхати п'ятсот миль за долар? Хочете, щоб ваш смартфон відображав комп'ютерну графіку консольної якості і заряджався раз на тиждень? Хочете мати можливість використовувати легкі шкарпетки в стилі Google Glass протягом декількох тижнів, не турбуючись про зарядку?
Всі ці чудові технологічні додатки чекають кращих батарей. Технологія акумуляторів зростала повільніше, ніж інші технології (наприклад, швидкість процесора і обсяг пам'яті комп'ютера), і в даний час є довгим полюсом намету в приголомшливому числі галузей. Є вагомі підстави вважати, що ми досягли деяких фундаментальних обмежень для сучасної літій-іонної технології, і на горизонті є ряд захоплюючих технологій. Сьогодні ми розглянемо чотири найбільш перспективних варіанти.
Більш якісні акумулятори роблять електромобілі практичними, відволікають мобільні пристрої від занепокоєння про заряди і дозволяють створювати абсолютно нові класи легенів, довговічних носимих пристроїв. Ось як вони збираються це зробити:
3. Двовуглецеві батареї
Крім того, що ми не настільки щільні, як нам хотілося б, існують і інші серйозні обмеження для існуючої технології літій-іонних акумуляторів, зокрема, час зарядки, летючість і деградація.
Для зарядки літій-іонних акумуляторів потрібен час - часто кілька годин, навіть при використанні найбільш передових технологій, і, хоча вони, ймовірно, безпечніше бензину, вони нагріваються під час роботи (особливо високопродуктивні акумулятори, такі як використовувані в електромобілях). Якщо розсіювання тепла не керується належним чином, реакція може призвести до пожежі або навіть вибуху.
Що ще гірше, цикл зарядки-розрядки літій-іонних батарей руйнівний: після всього двохсот п'ятдесяти циклів зарядки-розрядки літій-іонні батареї вже втратили близько двадцяти відсотків своєї ємності зберігання. Це добре для таких ринків, як смартфони, де люди замінюють свої пристрої щороку або два в будь-якому випадку, але це проблема для таких ринків, як електромобілі, які люди, ймовірно, хотіли б використовувати роками, не замінюючи токсичний і дорогий компонент батареї.
Тепер компанія Power Japan Plus вважає, що у неї є рішення у вигляді «двовуглецевої» батареї. Ця технологія батарей замінює анод і катод батареї (позитивні і негативні клеми, як правило, виготовлені з високореактивного металу, такого як оксид літію), на простий вуглець, який є досить інертним. В результаті виходить батарея, яка не накопичує значно більше енергії, ніж літій-іонна технологія, але враховує багато інших обмежень існуючих батарей.
Двовуглецеві акумулятори можуть заряджатися в двадцять разів швидше, ніж літій-іонні технології, не виділяють тепло під час роботи і мають набагато меншу ймовірність загоряння. Вони також розкладаються набагато повільніше (вони хороші приблизно для трьох тисяч циклів). Оскільки вуглець легко доступний і хімічно нешкідливий, він також дешевий, відносно нетоксичний і придатний для переробки.
Кріс Крейні, директор з маркетингу компанії, вважає, що в кінцевому підсумку акумулятори будуть мати велике значення для електромобілів: він сказав:
"У нас є амбітні претензії [...] Якщо є компанія, що спеціалізується на електромобілях, яка хоче піднятися на рівень Tesla, ми будемо хорошою компанією для спілкування. […] Щоб бути сміливим, ми впевнені, що ми є основним рішенням для сучасної індустрії електромобілів ".
Цього року компанія планує почати виробництво перших батарей для використання в основному в медичному обладнанні.
2. Літій-повітряні батареї
Інший підхід до збільшення щільності батарей полягає в тому, щоб змінити хімічний склад таким чином, щоб реакція генерації енергії поглинала кисень із зовнішньої атмосфери (і виділяла кисень при перезарядці), як у випадку літієво-повітряних батарей. Ця технологія використовується IBM серед інших як можливий святий Грааль акумуляторних технологій.
Використовуючи атмосферний кисень замість зберігання кисню в батареї, ви можете різко збільшити щільність зберігання, теоретично пропонуючи збільшення щільності в 40 разів порівняно зі звичайними літієвими елементами, що призводить до появи електромобілів, які можуть проїхати тисячі миль. на платній основі. Існуючі прототипи вибивають сучасні літій-іонні елементи вдвічі. Ці щільності близькі до теоретичної межі того, що може бути досягнуто хімічною батареєю.
Ця технологія акумуляторів певною мірою недоступна (за оцінками IBM, від 5 до 15 років), але в багатьох відношеннях вона являє собою святий Грааль хімічних батарей - найкраща можлива щільність для даної ваги. Перезаряджувані літієво-повітряні батареї можуть конкурувати з бензином за щільністю енергії, що нечувано в звичайній технології батарей. Сторінка IBM для їх дослідницького проекту описує це так:
В даний час електромобілі, як правило, можуть проїхати всього близько 100 миль від сучасної акумуляторної технології, званої літій-іонною (LIB). […] Визнаючи це, IBM почала проект Battery 500 в 2009 році, щоб розробити новий тип технології літієво-повітряних батарей, яка, як очікується, поліпшить щільність енергії в десять разів, різко збільшуючи кількість енергії, яку ці батареї можуть генерувати і зберігати. Сьогодні дослідники IBM успішно продемонстрували фундаментальну хімію процесу зарядки і перезарядки літієво-повітряних батарей.
1. Графенові ультраконденсатори
Інший, більш спекулятивний підхід до поліпшення характеристик батареї полягає в тому, щоб повністю відмовитися від «батареї». Альтернативою акумуляторній технології є те, що відомо як конденсатори: заряджені пластини, розділені резистором. Електроенергія може зберігатися в конденсаторі у вигляді електростатичного поля, а потім розряджатися пізніше (подумайте про накопичення статичного заряду на вашому тілі, гладячи кішку, а потім розряджайте своє тіло в ручку дверей).
Звичайні конденсатори мають серйозні обмеження на кількість заряду, яку вони можуть зберігати, а також на те, як повільно вони можуть розрядити цей заряд. Однак, використовуючи такі матеріали, як графен, які мають надзвичайно велику площу поверхні для своєї маси і обсягу, можна створити елементи з величезною ємністю і щільністю енергії, порівнянні зі звичайними батареями.
Ці «ультраконденсатори» не будуть погіршуватися при кожному циклі зарядки і можуть заряджатися в лічені секунди. Існуючі прототипи не показують зниження ємності протягом 10 000 циклів зарядки і показують щільність енергії, порівнянну з традиційними літій-іонними акумуляторами. Майбутні поліпшення матеріалознавства можуть призвести до ще більшого збільшення цих показників.
У найближчій перспективі деякі інсайдери повідомляють, що Tesla розробляє ультраконденсатор на основі графена, який може заряджатися за лічені секунди і подвоювати дальність дії своїх електромобілів до 500 миль на зарядку. Елон Маск, зі свого боку, вже згадував цю ідею:
«Якби я зробив прогноз, я б подумав, що є хороший шанс, що це не батареї, а суперконденсатори».
Всі ці технології, ймовірно, повинні зіграти свою роль в найближчій і довгостроковій перспективі, оскільки ми починаємо переходити від літій-іонної технології, яку ми використовували десятиліттями. Перехід, ймовірно, не буде повністю граціозним або настільки швидким, як нам хотілося б, але він дасть нові додатки і технології, які змінять світ на десятиліття вперед.
Як ви думаєте, якими будуть енергетичні технології майбутнього? Це будуть батареї, конденсатори або щось ще? Поділіться своїми думками в розділі коментарів нижче!