Гонка электрических батарей: растут скорость зарядки, безопасность и емкость
Logo
Cover

В 2019 году у литий-ионных аккумуляторов появились перспективные соперники, которые могут потеснить их абсолютное доминирование на рынке. Новые решения превосходят традиционные аккумуляторы в скорости зарядки, емкости, весе и надежности. Но пока не могут сравниться с ними в стоимости. А многие решения существуют пока только в виде экспериментальных образцов.

Самыми быстрыми оказались британцы. Участники стартапа Echion Technology предложили наполнитель, с которым аккумулятор будет заряжаться за три минуты. Правда разработчики не говорят, из чего сделан порошок, который придет на смену графиту. Но обещают, что подойдет он и для мобильных приборов, и для электромобилей. А главное, будет запущен в серию уже в 2020 году.

Копания Williams Advanced Engineering представила в ушедшем году легкие аккумуляторы, приближающие появление электрической авиации. Перед конструкторами стояла непростая задача: совместить большую емкость с высокой мощностью. Решением стало применение модулей, связанных двухсторонним преобразователем.

Цена аккумулятора пробила $100 за кВт*ч

В 2019 году концерн VW добился снижения цены аккумуляторов до $100 за кВт*ч. Это важная психологическая черта — моторы электромобилей стали не дороже бензиновых двигателей. Илон Маск обещал подобный результат еще в 2018-м, но первым к нему пришел Volkswagen.

Немцы спорили с Маском и на другом направлении — в разработке стационарных систем хранения. Подразделение Tesla Energy рапортовало в середине года о новом рекорде — объем систем Powerwall и Powerpack достиг показателя в 415 МВт*ч.

Станция Hornsdale — самое большое в мире литий-ионное хранилище энергии, построенное на аккумуляторах Tesla, — будет увеличена в полтора раза. Емкость вырастет на 64,5 МВт*ч, мощность на 50 МВт. Это новый мировой рекорд.

Но самую перспективную концепцию прошлого года разработали в Институте Фраунгофера. Керамическая высокотемпературная батарея обеспечивает стоимость 100 евро за 1 кВт*ч. То есть в два раза меньше, чем в системе Илона Маска. Секрет цены прост — в основе разработки лежит поваренная соль. Впрочем, германская Cerenergy пока существует только на выставках, а системы Tesla работают по всему миру.

Зато жители Гамбурга научились хранить энергию в камнях, точнее в тысяче тонн вулканической породы.

Li-Ion-киллер

Более реалистичный прогноз тоже обращен в прошлое: у литий-ионных батарей, которые сегодня используются повсеместно, в ближайшие десятилетия не будет замены. И Нобелевскую премию по химии этой осенью вручили за разработку литий-ионных батарей. В том числе за открытия, совершенные в конце ХХ века. «Своей работой лауреаты этого года заложили основу будущего без проводов и ископаемого топлива», — говорится в заключении Нобелевского комитета.

Но даже в пределах этой, уже классической технологии, можно многое изменить. Например, стартап XNRGI обещает увеличить плотность хранения в 10 раз, заливая металлом устаревшие кремниевые подложки для микросхем. Красота решения в том, что производство основного компонента уже налажено, нет необходимости вводить новые мощности. Просто старая деталь будет выступать теперь в новом качестве.

Важный способ улучшения Li-Ion батарей — работа над электролитами. Кремний известен как один из самых востребованных материалов XXI века. Но в качестве анода он не мог быть использован — вступал в реакцию с электролитом и разрушал всю конструкцию. Теперь ученые из Аргоннской национальной лаборатории США разработали стратегию добавления в электролит присадок, увеличивающих стабильность кремния. В результате увеличились сразу три показателя: емкость, срок службы и безопасность.

Физики из Австралии предложили делать электролиты из твердых полимеров. Они слабо взаимодействуют с ионами лития, а значит, аноды тоже можно будет делать из лития. Это повысит емкость вдвое, а аккумуляторы перестанут воспламеняться. Возможно, их даже позволят проносить в багаж самолета.

Сталь и воздух

И все-таки альтернативы ионно-литиевым аккумуляторам есть. Например, термобатареи. Стартап Climate Change Technologies предлагает сохранять электроэнергию в форме скрытого тепла. Разработчики говорят, что их устройство вмещает в 6 раз больше энергии, чем ионно-литиевые аналоги. Главный недостаток термобатареи — большой размер. На электрокар ее не поставишь. А вот на электропаром можно.

Или литий-воздушные аккумуляторы, которые увеличивают емкость в десять раз. В Университете Иллинойса создали прототип, позволяющий электромобилю на одном заряде проехать до 800 километров. Это не рекорд, во всяком случае, для опытных испытаний. Но определенно заявка на успех.

Натрий-ионные батареи всегда считались безопаснее ионно-литиевых, но заметно уступали им по производительности. Исследователи из Хьюстонского университета сумели увеличить их эффективность, применив органический катод и уменьшив сопротивление на границе катода и электролита. Теперь формула натрий-йод снова участвует в технологической гонке.

Главная проблема литий-металлических батарей тоже решена. Их разрушали дендриты — древовидные структуры, возникающие между положительной и отрицательной частями аккумулятора. Ученые из Стэнфордского университета покрыли сепаратор сетью молекул, этого оказалось достаточно для того, чтобы остановить дендриты. Результат впечатляет — ведь литий-металлические батареи превосходят литий-ионные по емкости и заметно уступают им в весе.

Это все были варианты с применением лития. Совсем обойтись без него предлагают ученые из Индийского технологического института в Мадрасе. Их устройство на основе железа выдержало 150 зарядок. Не слишком много, но индийские физики говорят, что в первую очередь решают проблему сохранения окружающей среды.