Bateriile viitorului. Noile tipuri de baterii înlocuiesc bateriile litiu-ion

Ecologia consumului Știință și tehnologie: Viitorul transportului electric depinde foarte mult de îmbunătățirea bateriilor - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie.

Viitorul vehiculelor electrice depinde în mare măsură de bateriile îmbunătățite - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie. Oamenii de știință au obținut deja unele rezultate. O echipă de ingineri a creat baterii litiu-oxigen care nu irosesc energie și pot dura câteva decenii. Și un om de știință australian a dezvăluit un supercondensator pe bază de grafen care poate fi încărcat de un milion de ori fără a pierde eficiența.

Bateriile cu litiu-oxigen sunt ușoare și generează multă energie și ar putea fi componente ideale pentru vehiculele electrice. Dar astfel de baterii au un dezavantaj semnificativ - se uzează rapid și eliberează prea multă energie sub formă de căldură irosită. O nouă dezvoltare a oamenilor de știință de la MIT, Laboratorul Național Argonne și Universitatea din Peking promite să rezolve această problemă.

Dezvoltate de o echipă de ingineri, bateriile litiu-oxigen folosesc nanoparticule care conțin litiu și oxigen. În acest caz, când stările se schimbă, oxigenul rămâne în interiorul particulei și nu revine la faza gazoasă. Acest lucru este în contrast cu bateriile litiu-aer, care preiau oxigenul din aer și îl eliberează în atmosferă în timpul unei reacții inverse. Noua abordare vă permite să reduceți pierderile de energie (cantitatea de tensiune electrică este redusă de aproape 5 ori) și să măriți durata de viață a bateriei.

Tehnologia litiu-oxigen este, de asemenea, bine adaptată condițiilor din lumea reală, spre deosebire de sistemele litiu-aer, care se deteriorează la contactul cu umezeala și CO2. În plus, bateriile cu litiu și oxigen sunt protejate de supraîncărcare - de îndată ce există prea multă energie, bateria trece la un alt tip de reacție.

Oamenii de știință au efectuat 120 de cicluri de încărcare-descărcare, în timp ce productivitatea a scăzut cu doar 2%.

Până în prezent, oamenii de știință au creat doar o baterie prototip, dar intenționează să dezvolte un prototip într-un an. Acest lucru nu necesită materiale scumpe, iar producția este foarte asemănătoare cu producția de baterii tradiționale litiu-ion. Dacă proiectul este implementat, atunci în viitorul apropiat, vehiculele electrice vor stoca de două ori mai multă energie pentru aceeași masă.

Un inginer de la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Australia a rezolvat o altă problemă cu bateriile - cât de repede se reîncarcă. Supercondensatorul dezvoltat de el se încarcă aproape instantaneu și poate fi folosit mulți ani fără pierderea eficienței.

Han Lin a folosit grafen, unul dintre cele mai rezistente materiale până în prezent. Datorită structurii sale de tip fagure, grafenul are o suprafață mare pentru stocarea energiei. Oamenii de știință au plăci de grafen imprimate 3D - această metodă de producție vă permite, de asemenea, să reduceți costurile și să vă extindeți.

Supercondensatorul creat de omul de știință produce aceeași cantitate de energie pe kilogram de greutate ca o baterie litiu-ion, dar se încarcă în câteva secunde. Mai mult, în loc de litiu, folosește grafen, care este mult mai ieftin. Potrivit lui Han Lin, un supercondensator poate parcurge milioane de cicluri de încărcare fără a pierde calitatea.

Domeniul producției de baterii nu se oprește. Frații Kreisel din Austria au creat un nou tip de baterie care cântărește aproape jumătate din mărimea Tesla Model S.

Oamenii de știință norvegieni de la Universitatea din Oslo au inventat o baterie care poate fi alimentată complet. Cu toate acestea, dezvoltarea lor este destinată transportului public urban, care face opriri în mod regulat - la fiecare dintre ele autobuzul va fi reîncărcat și va fi suficientă energie pentru a ajunge la următoarea stație.

Oamenii de știință de la Universitatea din California, Irvine, s-au apropiat de crearea unei baterii eterne. Au dezvoltat o baterie nanofil care poate fi reîncărcată de sute de mii de ori.

Iar inginerii de la Universitatea Rice au reușit să creeze unul care funcționează la o temperatură de 150 de grade Celsius fără a pierde eficiența. publicat

Și astăzi vom vorbi despre cele imaginare - cu o capacitate specifică gigantică și încărcare instantanee. Știrile despre astfel de evoluții apar cu o regularitate de invidiat, dar viitorul nu a sosit încă și folosim în continuare bateriile litiu-ion care au apărut la începutul deceniului anterior, sau analogii lor puțin mai avansați litiu-polimer. Deci, ce este, dificultăți tehnologice, interpretarea greșită a cuvintelor oamenilor de știință sau altceva? Să încercăm să ne dăm seama.

Urmărind viteza de încărcare

Unul dintre parametrii bateriei pe care oamenii de știință și companiile mari încearcă constant să le îmbunătățească este viteza de încărcare. Cu toate acestea, nu va fi posibil să o creșteți la infinit, nici măcar datorită legilor chimice ale reacțiilor care au loc în baterii (mai ales că dezvoltatorii de baterii aluminiu-ion au declarat deja că acest tip de baterie poate fi încărcat complet în doar o secundă), ci din cauza limitărilor fizice. Să presupunem că avem un smartphone cu o baterie de 3000 mAh și suport pentru încărcare rapidă. Puteți încărca complet un astfel de gadget într-o oră cu un curent mediu de 3 A (în medie, deoarece tensiunea se schimbă în timpul încărcării). Cu toate acestea, dacă dorim să obținem o încărcare completă în doar un minut, avem nevoie de o putere curentă de 180 A, excluzând diverse pierderi. Pentru a încărca dispozitivul cu un astfel de curent, aveți nevoie de un fir cu un diametru de aproximativ 9 mm - de două ori mai gros decât smartphone-ul în sine. Da, și cu un curent de 180 A la o tensiune de aproximativ 5 V, un încărcător convențional nu va putea să dea afară: proprietarii de smartphone-uri vor avea nevoie de un convertor de curent de impulsuri ca cel din fotografia de mai jos.

O alternativă la creșterea intensității este creșterea tensiunii. Dar, de obicei, este fix, iar pentru bateriile litiu-ion este de 3,7 V. Desigur, poate fi depășit - încărcarea utilizând tehnologia Quick Charge 3.0 are o tensiune de până la 20 V, dar o încercare de a încărca bateria cu o tensiune de aproximativ 220 V este inutilă. nu va duce la bine și nu este posibilă rezolvarea acestei probleme în viitorul apropiat. Bateriile moderne pur și simplu nu pot utiliza această tensiune.

Acumulatori eterni

Desigur, acum nu vorbim despre o „mașină de mișcare perpetuă”, ci despre baterii cu o durată lungă de viață. Bateriile moderne litiu-ion pentru smartphone-uri pot rezista la maximum doi ani de utilizare activă a dispozitivelor, după care capacitatea lor scade constant. Proprietarii de smartphone-uri cu baterii amovibile sunt puțin mai norocoși decât alții, dar în acest caz merită să ne asigurăm că bateria a fost produsă recent: bateriile litiu-ion se degradează chiar și atunci când nu sunt utilizate.

Oamenii de știință de la Universitatea Stanford și-au propus soluția la această problemă: acoperirea electrozilor tipurilor existente de baterii litiu-ion cu un material polimeric cu adăugarea de nanoparticule de grafit. Conform ideii oamenilor de știință, acest lucru va proteja electrozii, care în mod inevitabil se acoperă cu microfisuri în timpul funcționării, iar aceleași microfisuri din materialul polimeric se vor vindeca singuri. Principiul acestui material este similar cu tehnologia utilizată în smartphone-ul LG G Flex cu capac din spate cu auto-vindecare.

Trecerea la a treia dimensiune

În 2013, s-a raportat că cercetătorii de la Universitatea din Illinois dezvoltă un nou tip de baterie litiu-ion. Oamenii de știință au spus că puterea specifică a acestor baterii va fi de până la 1000 mW / (cm * mm), în timp ce puterea specifică a bateriilor convenționale litiu-ion variază între 10-100 mW / (cm * mm). Am folosit doar astfel de unități de măsură, deoarece vorbim despre structuri destul de mici, cu o grosime de zeci de nanometri.

În loc de anodul plat și catodul utilizat în bateriile Li-Ion tradiționale, oamenii de știință au propus utilizarea structurilor în vrac: o rețea cristalină de sulfură de nichel pe nichel poros ca anod și dioxid de litiu mangan pe nichel poros ca catod.

În ciuda tuturor îndoielilor cauzate de lipsa parametrilor exacți ai noilor baterii din primele comunicate de presă, precum și a prototipurilor care nu au fost încă prezentate, noul tip de baterii este încă real. Acest lucru este confirmat de mai multe articole științifice pe această temă, publicate în ultimii doi ani. Cu toate acestea, dacă astfel de baterii devin disponibile utilizatorilor finali, acest lucru se va întâmpla cu mult timp în urmă.

Se încarcă prin ecran

Oamenii de știință și inginerii încearcă să extindă durata de viață a gadgeturilor noastre nu numai căutând noi tipuri de baterii sau sporind eficiența energetică a acestora, ci și în moduri destul de neobișnuite. Cercetătorii Universității de Stat din Michigan au propus încorporarea panourilor solare transparente direct într-un ecran. Deoarece principiul funcționării acestor panouri se bazează pe absorbția radiației solare de către aceștia, pentru a le face transparente, oamenii de știință au trebuit să meargă la un truc: materialul panourilor de un nou tip absoarbe doar radiația invizibilă (infraroșu și ultraviolet), după care fotonii, reflectați de la marginile largi ale sticlei, sunt absorbiți de dungi înguste. panouri solare de tip tradițional amplasate de-a lungul marginilor sale.

Principalul obstacol în calea introducerii unei astfel de tehnologii este eficiența scăzută a acestor panouri - doar 1% față de 25% din panourile solare tradiționale. Acum oamenii de știință caută modalități de a crește eficiența cu cel puțin 5%, dar cu greu se poate aștepta la o soluție rapidă a acestei probleme. Apropo, o tehnologie similară a fost recent brevetată de Apple, dar nu se știe încă unde exact producătorul va plasa panouri solare în dispozitivele sale.

Înainte de asta, ne refeream la o baterie reîncărcabilă sub cuvintele „baterie” și „acumulator”, dar unii cercetători cred că sursele de tensiune de unică folosință pot fi utilizate în gadgeturi. Ca baterii care ar putea funcționa fără reîncărcare sau altă întreținere timp de câțiva ani (sau chiar câteva decenii), oamenii de știință de la Universitatea din Missouri au propus utilizarea RTG - generatoare termoelectrice radioizotopice. Principiul de funcționare al RTG se bazează pe conversia căldurii eliberate în timpul decăderii radio în electricitate. Multe astfel de instalații sunt cunoscute pentru utilizarea lor în spațiu și în locuri greu accesibile de pe Pământ, dar în SUA, bateriile radioizotopice miniaturale au fost folosite și la stimulatoare cardiace.

Lucrările la un tip îmbunătățit de astfel de baterii se desfășoară din 2009 și chiar au fost prezentate prototipuri ale acestor baterii. Dar nu vom putea vedea bateriile radioizotopice pe smartphone-uri în viitorul apropiat: sunt scumpe de fabricat și, în plus, multe țări au restricții stricte asupra producției și circulației materialelor radioactive.

Celulele cu hidrogen pot fi folosite și ca baterii de unică folosință, dar nu pot fi utilizate pe smartphone-uri. Bateriile cu hidrogen sunt consumate destul de repede: deși gadgetul dvs. va dura mai mult pe un cartuș decât la o singură încărcare a unei baterii obișnuite, acestea vor trebui înlocuite periodic. Cu toate acestea, acest lucru nu împiedică utilizarea bateriilor cu hidrogen în vehiculele electrice și chiar a bateriilor externe: până acum acestea nu sunt dispozitive de masă, dar nu mai sunt prototipuri. Iar Apple, conform zvonurilor, dezvoltă deja un sistem de reumplere a cartușelor cu hidrogen fără a le înlocui pentru a fi utilizate în viitorul iPhone.

Ideea că o baterie cu o capacitate specifică ridicată poate fi creată pe baza grafenului a fost prezentată în 2012. Astfel, la începutul acestui an, în Spania, s-a anunțat că a fost anunțată construcția de către Graphenano a unei fabrici pentru producerea de baterii grafen-polimer pentru vehicule electrice. Noul tip de baterii este de aproape patru ori mai ieftin de fabricat decât bateriile tradiționale litiu-polimer, are o capacitate specifică de 600 Wh / kg și va fi posibilă încărcarea unei astfel de baterii de 50 kWh în doar 8 minute. Adevărat, așa cum am spus la început, acest lucru va necesita o putere de aproximativ 1 MW, prin urmare un astfel de indicator este realizabil doar în teorie. Când exact fabrica va începe să producă primele baterii grafen-polimer nu este raportat, dar este foarte posibil ca Volkswagen să fie printre cumpărătorii produselor sale. Preocuparea a anunțat deja planuri de a produce vehicule electrice cu o autonomie de până la 700 de kilometri de la o singură încărcare a bateriei până în 2018.

În ceea ce privește dispozitivele mobile, până acum utilizarea bateriilor grafen-polimer în ele este îngreunată de dimensiunile mari ale acestor baterii. Să sperăm că cercetările în acest domeniu vor continua, deoarece bateriile grafen-polimer sunt unul dintre cele mai promițătoare tipuri de baterii care pot apărea în următorii ani.

De ce, în ciuda optimismului oamenilor de știință și a știrilor care apar în mod regulat despre descoperiri în domeniul conservării energiei, vedem acum stagnare? În primul rând, punctul este în așteptările noastre mari, care sunt alimentate doar de jurnaliști. Vrem să credem că o revoluție în lumea bateriilor este pe cale să aibă loc și vom primi o baterie cu încărcare în mai puțin de un minut și o durată de viață aproape nelimitată, de la care un smartphone modern cu un procesor cu opt nuclee va funcționa cel puțin o săptămână. Dar astfel de descoperiri, din păcate, nu se întâmplă. Introducerea oricărei noi tehnologii în producția de masă este precedată de mulți ani de cercetare științifică, testarea eșantioanelor, dezvoltarea de noi materiale și procese tehnologice și alte lucrări care necesită mult timp. La urma urmei, au durat aceleași baterii litiu-ion aproximativ cinci ani pentru a evolua de la prototipuri inginerești la dispozitive finite care ar putea fi utilizate în telefoane.

Prin urmare, trebuie doar să avem răbdare și să nu luăm la inimă noutățile despre elementele alimentare noi. Cel puțin până când nu se știe despre lansarea lor în producția de masă, când nu există nicio îndoială cu privire la viabilitatea noii tehnologii.

Mașinile electrice trebuie să rezolve multe probleme de mediu. Dacă sunt încărcate cu energie electrică din surse regenerabile, acestea vor fi practic inofensive pentru atmosferă. Desigur, dacă nu țineți cont de producția lor complexă din punct de vedere tehnologic. Și a conduce cu tracțiune electrică fără zumzetul obișnuit al motorului este doar mai plăcut. Problema constantă rămâne încă o problemă datorită stării de încărcare a bateriei. La urma urmei, dacă scade la zero și nu există o singură stație de încărcare în apropiere, atunci problemele nu vor fi evitate.

Există șase factori decisivi pentru succesul mașinilor electrice care sunt alimentate cu baterii. În primul rând, vorbim despre capacitate - adică, cât de multă energie electrică poate stoca bateria, cantitatea de utilizare ciclică a bateriei - adică „încărcarea-descărcarea” pe care bateria o poate suporta înainte de defectare și timpul de reîncărcare - adică cât timp va trebui să aștepte șoferul, încărcarea mașinii pentru a conduce mai departe.

Fiabilitatea bateriei în sine nu este mai puțin importantă. Să spunem dacă se poate descurca cu o călătorie în zonele înalte sau cu o călătorie în sezonul cald de vară. Desigur, atunci când decideți dacă cumpărați o mașină electrică, ar trebui să luați în considerare un factor precum numărul de stații de încărcare și prețul bateriilor.

Cât de departe puteți merge pe baterii?

Mașinile electrice ușoare de pe piață acoperă astăzi distanțe de la 150 la mai mult de 200 de kilometri cu o singură încărcare. În principiu, aceste distanțe pot fi mărite prin dublarea sau triplarea numărului de baterii. Dar, în primul rând, acum ar fi atât de scump încât cumpărarea unei mașini electrice ar fi insuportabilă și, în al doilea rând, mașinile electrice în sine ar deveni mult mai grele, așa că ar trebui să fie proiectate bazându-se pe sarcini grele. Și acest lucru contrazice obiectivele urmărite de producătorii de mașini electrice, și anume ușurința construcției.

De exemplu, Daimler a introdus recent un camion electric care poate parcurge până la 200 de kilometri cu o singură încărcare. Cu toate acestea, bateria în sine cântărește cel puțin două tone. Dar motorul este mult mai ușor decât cel al unui camion diesel.

Ce baterii domină piața?

Bateriile moderne, fie că sunt telefoane mobile, laptopuri sau mașini electrice, sunt aproape exclusiv variante ale așa-numitelor baterii litiu-ion. Vorbim despre o varietate de tipuri de baterii, în care litiul metalului alcalin se găsește atât în \u200b\u200belectrozi pozitivi cât și negativi, și într-un lichid - așa-numitul electrolit. De obicei, electrodul negativ este realizat din grafit. În funcție de ce alte materiale sunt utilizate în electrodul pozitiv, există, de exemplu, baterii litiu-cobalt (LiCoO2), litiu-titan (Li4Ti5O12) și litiu-fier-fosfat (LiFePO4).

Bateriile cu litiu polimer joacă un rol special. Aici, plasticul de tip gel acționează ca un electrolit. Aceste baterii sunt cele mai puternice de pe piață astăzi, cu o capacitate energetică de până la 260 de wați-oră pe kilogram. Restul bateriilor litiu-ion sunt capabile de maximum 140 până la 210 wați-oră pe kilogram.

Și dacă comparați tipurile de baterii?

Bateriile litiu-ion sunt foarte scumpe, în primul rând datorită valorii ridicate de piață a litiului. Cu toate acestea, există multe avantaje față de tipurile anterioare de baterii fabricate din plumb și nichel.

În plus, bateriile litiu-ion se încarcă destul de repede. Aceasta înseamnă că, cu curent normal de la rețea, mașina electrică poate fi reîncărcată în două până la trei ore. Și la stațiile speciale de încărcare rapidă, poate dura o oră.

Tipurile mai vechi de baterii nu au astfel de avantaje și pot stoca mult mai puțină energie. Bateriile pe bază de nichel au o capacitate energetică de 40 până la 60 de wați-oră pe kilogram. Proprietățile sunt chiar mai grave în bateriile cu plumb - capacitatea energetică a acestora este de aproximativ 30 de wați-oră pe kilogram. Cu toate acestea, acestea sunt mult mai ieftine și pot rezista fără probleme la mulți ani de funcționare.

Cât durează bateriile moderne?

Mulți oameni își amintesc așa-numitul efect de memorie al bateriei de stocare din bateriile vechi. S-a manifestat mai ales în baterii de nichel. Apoi, dacă cineva s-a gândit să încarce o șurubelniță sau o baterie pentru laptop, deși bateria era aproape pe jumătate încărcată, capacitatea de a stoca energie electrică a fost surprinzător redusă. Prin urmare, înainte de fiecare proces de încărcare, era necesar să consumăm complet energie. Pentru vehiculele electrice, acest lucru ar fi un dezastru, deoarece acestea trebuie reîncărcate exact atunci când sunt la o distanță adecvată de stația de încărcare și nu atunci când bateria se descarcă.

Dar bateriile litiu-ion nu au acest „efect de memorie”. Producătorii promit până la 10.000 de cicluri de încărcare-descărcare și 20 de ani de funcționare fără probleme. În același timp, experiența consumatorului mărturisește adesea despre altceva - bateriile pentru laptop „mor” după câțiva ani de funcționare. În plus, factori externi, cum ar fi temperaturi extreme sau o descărcare accidentală sau supraîncărcare, pot deteriora permanent bateriile. Foarte important în bateriile moderne de stocare este funcționarea neîntreruptă a componentelor electronice care controlează procesul de încărcare.

Sunt superacumulatorii doar o frază goală?

Experții de la Centrul de Cercetare Jülich lucrează la dezvoltarea bateriilor cu siliciu-aer. Ideea acumulatorilor de aer nu este atât de nouă. Deci, mai devreme au încercat să dezvolte baterii litiu-aer, în care electrodul pozitiv ar consta dintr-o rețea de carbon nanocristalină. În acest caz, electrodul în sine nu participă la procesul electrochimic, ci acționează doar ca un conductor, pe suprafața căruia se reduce oxigenul.

Bateriile silicon-aer funcționează pe același principiu. Cu toate acestea, au avantajul că sunt compuse din siliciu foarte ieftin, care se găsește în cantități aproape nelimitate în natură sub formă de nisip. În plus, siliciul este utilizat în mod activ în tehnologia semiconductoarelor.

În plus față de costul de producție potențial scăzut, caracteristicile tehnice ale bateriilor cu aer sunt, de asemenea, destul de atractive la prima vedere. La urma urmei, ei pot atinge o astfel de capacitate energetică care depășește indicatorii de astăzi de trei ori, sau chiar de zece ori.

Cu toate acestea, aceste evoluții sunt încă departe de a intra pe piață. Cea mai mare problemă este durata de viață nesatisfăcător de scurtă a bateriilor cu aer. Este cu mult sub 1000 de cicluri de încărcare-descărcare. Experimentul cercetătorilor Jülich dă o oarecare speranță. Au descoperit că durata de viață a acestor baterii poate fi crescută semnificativ dacă electrolitul din aceste baterii este umplut în mod regulat. Dar chiar și cu astfel de soluții tehnice, aceste baterii nu vor atinge o fracțiune din durata de funcționare pe care o au bateriile litiu-ion de astăzi.

Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin, în frunte cu profesorul în vârstă de 94 de ani, John Goodenough, au dezvoltat un nou tip de baterie solid-state. Este interesant faptul că John Goodenough este unul dintre creatorii bateriilor moderne litiu-ion. În 1983, el și colegii săi au propus utilizarea cobaltitei de litiu ca catod în bateriile litiu-ion. Noua tehnologie oferă o baterie solidă cu siguranță, durabilitate și viteze de încărcare mai mari decât bateriile tradiționale.

„Costul, siguranța, densitatea energiei, ratele de încărcare și descărcare și longevitatea sunt valori esențiale pentru bateriile din vehiculele electrice care ar putea afecta popularitatea lor. Credem că descoperirea noastră rezolvă multe dintre problemele inerente bateriilor moderne ”, a spus John Goodenough.

Noile baterii au cel puțin de trei ori densitatea energetică a bateriilor moderne litiu-ion. Pentru vehiculele electrice, aceasta înseamnă că pot parcurge o distanță mai mare cu o singură încărcare, iar smartphone-urile se vor putea lăuda cu o autonomie ridicată. În plus față de densitatea crescută a energiei, noile baterii își păstrează capacitatea pe un număr mai mare de cicluri de încărcare (până la 1.200 de cicluri), iar timpul lor de încărcare este calculat nu în ore, ci în minute.

Bateriile moderne litiu-ion folosesc electroliți lichizi pentru a muta ionii de litiu între anod și catod. Încărcarea prea rapidă poate provoca un scurtcircuit, care este adesea însoțit de o explozie. Cercetătorii de la Universitatea din Texas au folosit electroliți de sticlă în loc de electroliți lichizi - permit utilizarea unui anod de metal alcalin (litiu, sodiu sau potasiu) fără probabilitatea formării dendritei.

Un alt avantaj al utilizării electroliților din sticlă în locul electroliților lichizi este că pot funcționa fără probleme la temperaturi sub zero. În plus, toate elementele unei astfel de baterii pot fi realizate din materiale ecologice.

Din păcate, la fel ca în cazul altor tehnologii promițătoare ale bateriilor, nu se vorbește despre utilizarea comercială a acestei dezvoltări.

Inventatorul bateriilor litiu-ion a introdus un nou tip de baterie
Inventatorul bateriilor litiu-ion a introdus un nou tip de baterie

Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin au creat baterii în stare solidă care ar trebui să fie o alternativă mai eficientă și complet sigură la bateriile litiu-ion. Dezvoltarea este condusă de inventatorul John Goodenough, în vârstă de 94 de ani, care a cofondat bateria litiu-ion în urmă cu aproape trei decenii.

După cum au descoperit experimentatorii, noul tip de baterii are o capacitate de trei ori mai mare de energie, se încarcă mai repede, rezistă la temperaturi de până la -60 ° C, nu explodează din cauza supraîncălzirii sau a deteriorării carcasei și nu dăunează mediului atunci când sunt eliminate. Ca material pentru stocarea energiei electrice, o astfel de baterie folosește nu litiu rar și scump, ci sodiu ieftin, care poate fi extras din apa de mare la fel ca sarea.

Bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă în aproape toate tipurile de dispozitive electronice. Principiul funcționării lor se bazează pe mișcarea ionilor unui electrolit lichid între anod și catod. Dacă bateria se încarcă prea repede, se pot forma germeni de litiu în baterie, ceea ce poate duce la o scădere a capacității, la un scurtcircuit și chiar la o explozie a bateriei. Sticla servește drept electrolit în noua baterie Goodenough, care permite utilizarea metalelor alcaline (cum ar fi sodiul sau potasiul) ca anod, care nu formează procese. Riscul de incendiu pentru o astfel de baterie este aproape de zero.

„Costul, siguranța, densitatea energiei, viteza de încărcare și durata de viață a bateriei sunt valori esențiale pentru adoptarea continuă a vehiculelor electrice. Credem că tehnologia noastră va ajuta la rezolvarea multor probleme la care sunt expuse bateriile moderne ”, a comentat John Goodenough despre invenția sa.

Goodenough nu este primul care decide să înlocuiască un electrolit lichid cu o stare solidă. Înaintea sa, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts erau implicați în experimente similare. Au folosit sulfuri, dar au constatat că acest material este prea fragil, astfel încât bateriile bazate pe acesta nu pot fi utilizate în echipamente portabile și vehicule electrice.

Bateriile litiu-ion au fost utilizate în electronică de la începutul anilor nouăzeci și au înlocuit aproape toate celelalte tipuri de baterii. De 25 de ani, nu s-a realizat o descoperire semnificativă în această tehnologie - eficiența energetică a acestor baterii, deși este în creștere, este foarte lentă. Principalele lor probleme sunt pericolul unei explozii în orice moment fără un motiv aparent și o pierdere treptată a capacității nominale de la supraîncărcare până la epuizarea completă.

Un nou tip de baterie de la inventatorul bateriei litiu-ion
Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin au creat baterii în stare solidă care ar trebui să fie o alternativă mai eficientă și complet sigură la bateriile litiu-ion.

Bateriile convenționale de acest tip sunt echipate cu un catod de carbon, în porii căruia este stocat oxigenul atmosferic, care joacă rolul unui material activ. În timpul descărcării, cationii de litiu se deplasează din anodul de litiu prin electrolit și reacționează cu oxigenul, formând (în mod ideal) peroxid de litiu Li 2 O 2, care este reținut la catod, iar electronii trec de la anod la catod prin circuitul de încărcare. Avantajul eșantioanelor litiu-aer față de litiu-ion tradițional este densitatea de energie mai mare care poate fi atinsă.

Performanța bateriilor litiu-aer este influențată de mulți factori: umiditate relativă, presiune parțială de oxigen, compoziția electrolitului, alegerea catalizatorului și structura generală a dispozitivului. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că produsele de reacție (Li 2 O 2) depuse pe electrodul de carbon blochează căile de penetrare a oxigenului, limitând capacitatea. Prin urmare, un electrod de aer cu configurația optimă trebuie să aibă atât pori de dimensiuni mici, care asigură trecerea liberă a oxigenului, cât și cavități de dimensiuni nano, care creează o densitate suficientă a siturilor pentru reacțiile Li-O 2.

Schema unei foi de grafen funcționalizate cu grupuri funcționale pe ambele părți și margini și defecte de rețea care devin site-uri energetic favorabile pentru captarea produselor de reacție (Li 2 O 2). Defectele sunt evidențiate în galben și violet, atomii de carbon - gri, oxigen - roșu, hidrogen - alb. Arătată în dreapta este structura poroasă ideală a unui electrod de aer. (În continuare, ilustrații din revista Nano Letters.)

Foi de grafic funcționalizate obținute prin tratamentul termic al oxidului de grafit au fost folosite pentru a crea noi electrozi. Raportul inițial C / O al oxidului este aproximativ egal cu două, dar menținerea la 1050 ˚C pentru doar 30 de secunde îi permite să crească la

15 datorită eliberării de CO 2. După ce frunzele de dioxid de carbon, foile dobândesc defecte de rețea, care contribuie la formarea particulelor de Li 2 O 2 nanozizate izolate care nu blochează accesul oxigenului în timpul funcționării bateriei.

Foi preparate au fost plasate într-o soluție de microemulsie conținând lianți. După uscare, electrodul a dobândit o structură internă neobișnuită, în care se evidențiază elemente în formă de ou, ambalate slab. Au fost așezate pasaje largi între ele, iar „cochilia” elementelor conținea numeroși pori nanosized. Cu alte cuvinte, designul electrodului a fost aproape de optim.

Electrozi grafenici: deasupra - tocmai realizați, dedesubt - după descărcare. Săgețile marchează particulele de Li 2 O 2. Dimensiunile sunt în micrometri.

În experimente, bateriile litiu-aer cu electrozi grafenici (fără catalizator) au demonstrat o capacitate record de 15.000 mAh pe gram de carbon. Observăm că astfel de rezultate au fost obținute într-o atmosferă de O 2 pur; în aer, capacitatea scade semnificativ, deoarece apa interferează cu funcționarea dispozitivului. Autorii se gândesc deja la proiectarea membranei, care garantează protecția împotriva apei, dar va permite să treacă oxigenul necesar.

„Vrem, de asemenea, să facem bateria complet reîncărcabilă”, spune liderul echipei Ji-Guang Zhang. „Acest lucru va necesita un nou electrolit și un nou catalizator și acestea sunt ceea ce ne interesează acum”.

Curba de descărcare a unei baterii litiu-aer cu un electrod de grafen.

Germanii au inventat bateria fluor-ion

Pe lângă o întreagă armată de surse electrochimice de curent, oamenii de știință au dezvoltat o altă opțiune. Avantajele sale declarate sunt un risc mai mic de incendiu și o capacitate specifică de zece ori mai mare decât bateriile litiu-ion.

Chimiștii de la Karlsruhe Institute of Technology (KIT) au propus conceptul de baterii pe bază de fluoruri metalice și chiar au testat mai multe probe mici de laborator.

În astfel de baterii, anionii de fluor sunt responsabili pentru transferul de încărcare între electrozi. Anodul și catodul bateriei conțin metale, care, în funcție de direcția curentului (încărcare sau descărcare), sunt transformate pe rând în fluoruri sau reduse înapoi în metale.

„Deoarece un singur atom metalic poate accepta sau dona mai mulți electroni simultan, acest concept atinge o densitate energetică extrem de ridicată - de până la zece ori mai mare decât bateriile convenționale litiu-ion”, spune coautorul Dr. Maximilian Fichtner.

Pentru a testa ideea, cercetătorii germani au creat mai multe probe de astfel de baterii cu un diametru de 7 milimetri și o grosime de 1 mm. Autorii au studiat mai multe materiale pentru electrozi (cupru și bismut în combinație cu carbon, de exemplu) și au creat un electrolit pe bază de lantan și bariu.

Cu toate acestea, un astfel de electrolit solid este doar o etapă intermediară. Acest compus conducător de ioni fluor funcționează bine numai la temperaturi ridicate. Prin urmare, chimiștii caută un înlocuitor pentru acesta - un electrolit lichid care ar acționa la temperatura camerei.

(Pentru detalii, consultați comunicatul de presă al institutului și articolul din Journal of Materials Chemistry.)

Este dificil de prezis ce va deține piața bateriilor în viitor. Bateriile cu litiu sunt încă în prim plan și au un potențial bun datorită dezvoltărilor de polimeri de litiu. Introducerea elementelor de argint-zinc este un proces foarte lung și costisitor, iar oportunitatea sa este încă o problemă discutabilă. Tehnologiile cu celule de combustibil și nanotuburi au fost lăudate și descrise în cele mai frumoase cuvinte de mulți ani, dar când vine vorba de practică, produsele reale sunt fie prea greoaie, fie prea scumpe, fie ambele. Un singur lucru este clar - în următorii ani această industrie va continua să se dezvolte în mod activ, deoarece popularitatea dispozitivelor portabile crește cu pași mari.

În paralel cu laptopurile axate pe funcționarea autonomă, se dezvoltă direcția laptopurilor desktop, în care bateria joacă mai degrabă rolul unui UPS de rezervă. Samsung a lansat recent un laptop similar, fără baterie deloc.

ÎN NiCd-acumulatorii au și posibilitatea electrolizei. Pentru a preveni acumularea hidrogenului exploziv în ele, bateriile sunt echipate cu supape microscopice.

La celebrul institut MIT recent, o tehnologie unică pentru producția de baterii cu litiu a fost dezvoltată prin eforturile virușilor special instruiți.

În ciuda faptului că celula de combustibil arată complet diferită de o baterie tradițională, funcționează pe aceleași principii.

Cine altcineva poate sugera câteva direcții promițătoare?

Au fost fabricați electrozi promițăbili grafenici pentru baterii litiu-aer
Îmi îndeplinesc în continuare dorințele prietenilor din TABELUL DE COMENZI din octombrie. Am citit întrebarea lui trudnopisaka: ar fi interesant să aflăm despre noile tehnologii de baterii care sunt pregătite pentru producția în serie. Ei bine, desigur, criteriul pentru producția în serie este oarecum extensibil, dar ...

Comunități ›Mașini electrice› Blog ›Baterii noi cu o capacitate de 20 de ori mai mare.

Cehul Jan Prochazka a creat un tip revoluționar de baterie, a cărui producție este acum gata să fie finanțată de cei mai mari investitori din lume.

Noua baterie 3D diferă de mostrele cunoscute anterior în ceea ce privește modul de producție. Problema este că în noua baterie celulele galvanice sunt dispuse orizontal sub formă de plăci în cadru și nu vertical sub formă de pelicule metalice cu straturi active, așa cum este cazul bateriilor cu litiu.
Această tehnologie ajută la reducerea costurilor de producție, prin urmare prețul în comparație cu litiu va fi mai mic.

Noua tehnologie pentru crearea bateriilor permite nu numai creșterea capacității lor de cel puțin 20 de ori, dar oferă și o reîncărcare mai rapidă a bateriei.

Noile baterii ultra-mari pot rezolva principala problemă a energiei alternative - stocarea pe termen lung a energiei acumulate. În plus, pot fi utilizate în vehicule electrice - ca rezultat, gama va crește semnificativ.

Brevetul pentru bateria 3D aparține HE3DA, care este condus de creatorul noii baterii, Jan Prochazk. În acest moment, în atelierul său din Letняany, a produs 160 de exemplare.

Invenția cehă a atras un număr mare de investitori mari din Germania și Slovacia. Cu toate acestea, cea mai interesantă a fost propunerea investitorului privat miliardar chinez Hu Yuanping.

Chinezii au făcut un depozit nerambursabil de 5 milioane de euro și sunt gata să plătească încă 50 de milioane de euro pentru o participație de 49% la HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Dar nici generozitatea miliardarului chinez nu se termină aici, în viitor intenționează să investească încă 50 de milioane de euro dacă proiectul se dovedește bine.

Prima fabrică pentru producția de baterii 3D va apărea în nordul Moraviei în orașul Horní Sucha, iar ulterior producția de masă va fi organizată și în China.

Invenția lui Prohazka nu numai că va face mai eficientă stocarea energiei obținute din centralele eoliene și solare, dar poate fi folosită și în vehiculele electrice, ceea ce le va face și mai populare.

* controler negativ inclus pentru comentarii

Comunități ›Mașini electrice› Blog ›Baterii noi cu o capacitate de 20 de ori mai mare
Etichete: baterie 3d, tip revoluționar de baterie, he3da. Cehul Jan Prochazka a creat un tip revoluționar de baterie, a cărui producție este acum gata să fie finanțată de cei mai mari investitori din lume. Noua baterie 3D diferă de mostrele cunoscute anterior în ceea ce privește modul de producție. Problema este că celulele galvanice sunt situate în noua baterie ...

• Transfer

În ultimii ani, am auzit adesea că aproape - și omenirea va primi baterii care vor putea alimenta gadgeturile noastre săptămâni sau chiar luni, în timp ce sunt foarte compacte și se încarcă rapid. Dar lucrurile sunt încă acolo. De ce nu au apărut încă baterii mai eficiente și ce evoluții există în lume, citiți mai jos.

Astăzi, o serie de start-upuri sunt aproape de a construi baterii compacte sigure, cu costuri de stocare a energiei în jur de 100 USD pe kWh. Aceasta ar rezolva problema alimentării 24/7 și, în multe cazuri, ar trece la surse regenerabile de energie și, în același timp, ar reduce greutatea și costul vehiculelor electrice.

Dar toate aceste evoluții se apropie extrem de încet de nivelurile comerciale, ceea ce nu permite accelerarea tranziției de la combustibili fosili la surse regenerabile. Chiar și Elon Musk, care iubește promisiunile îndrăznețe, a fost forțat să admită că divizia sa auto îmbunătățește treptat bateriile litiu-ion, mai degrabă decât să creeze tehnologii avansate.

Mulți dezvoltatori cred că bateriile viitoare vor avea o formă, structură și compoziție chimică foarte diferite în comparație cu litiu-ion, care în ultimul deceniu a deplasat alte tehnologii de pe multe piețe.

Fondatorul SolidEnergy Systems, Qichao Hu, care dezvoltă o baterie litiu metalică de zece ani (anodul este metal, nu grafit, ca în litiu-ion tradițional), spune că principala problemă în crearea de noi tehnologii de stocare a energiei este că odată cu îmbunătățirea unui parametru, ceilalți se agravează. În plus, astăzi există atât de multe evoluții, autorii cărora își revendică cu voce tare superioritatea, încât este foarte dificil pentru startup-uri să convingă potențialii investitori și să strângă suficiente fonduri pentru a continua cercetarea.

Încărcător Bioo

Imaginați-vă crânguri întregi în care fiecare copac este plantat deasupra unui astfel de dispozitiv, doar că este mai mare și mai puternic. Aceasta va furniza energie „gratuită” caselor din jur și va fi un motiv imperios pentru a proteja pădurile de defrișări.

Baterii cu nanofire de aur

Nanospecialiștii de mii de ori mai subțiri decât un păr uman promit un viitor luminos. În dezvoltarea lor, oamenii de știință au folosit fire de aur într-o teacă de dioxid de mangan, care sunt plasate într-un electrolit de tip gel. Acest lucru previne căderea nanofirurilor la fiecare ciclu de încărcare.

Baterii cu magneziu

Baterii în stare solidă

Sunt lipsiți de acest dezavantaj stare solidă bateriile litiu-ion, care sunt considerate una dintre cele mai promițătoare astăzi. În special, dezvoltatorii Toyota au publicat o lucrare științifică în care au descris experimentele lor cu conductori superionici cu sulfură. Dacă vor reuși, atunci bateriile vor fi create la nivelul supercondensatorilor - vor fi complet încărcate sau descărcate în doar șapte minute. Ideal pentru vehicule electrice. Și datorită structurii în stare solidă, astfel de baterii vor fi mult mai stabile și mai sigure decât bateriile moderne litiu-ion. Domeniul lor de temperatură de funcționare se va extinde și - de la –30 la +100 grade Celsius.

Oamenii de știință de la Massachusetts Institute of Technology, în colaborare cu Samsung, au dezvoltat, de asemenea, baterii în stare solidă care depășesc bateriile litiu-ion de astăzi. Sunt mai siguri, consumul lor de energie este cu 20-30% mai mare și, în plus, pot rezista sute de mii de cicluri de reîncărcare. Mai mult decât atât, nu sunt periculoase la foc.

Celule de combustibil

Baterii auto grafen

Capacitatea Grabat de 2,3 volți este enormă: aproximativ 1000 Wh / kg. Pentru comparație, cele mai bune exemple de baterii litiu-ion au un nivel de 180 Wh / kg.

Micro-supercondensatoare fabricate cu laser

Oamenii de știință de la Universitatea Rice au făcut progrese în dezvoltarea micro-condensatoarelor. Unul dintre principalele dezavantaje ale tehnologiei este costul ridicat de fabricație, dar utilizarea unui laser poate duce la o reducere semnificativă a costurilor. Electrozii pentru condensatori sunt tăiați cu laser dintr-o foaie de plastic, ceea ce reduce foarte mult intensitatea muncii de producție. Aceste baterii se pot încărca de 50 de ori mai repede decât bateriile litiu-ion și se pot descărca mai lent decât supercondensatoarele utilizate astăzi. În plus, sunt fiabile, în timpul experimentelor au continuat să lucreze chiar și după 10 mii de îndoiri.

Baterii cu ion de sodiu

Un grup de cercetători și companii franceze RS2E a dezvoltat baterii de laptopuri cu sodiu-ion care utilizează sare obișnuită. Principiul de funcționare și procesul de fabricație sunt păstrate secrete. Capacitatea unei baterii de 6,5 centimetri este de 90 Wh / kg, care este comparabilă cu bateriile litiu-ion de masă, dar poate rezista nu mai mult de 2 mii de cicluri de încărcare.

Baterii cu spumă

Nano-gălbenuș cu încărcare rapidă de mare capacitate

O altă dezvoltare a Institutului de Tehnologie din Massachusetts - nanoparticule pentru baterii: o coajă goală din dioxid de titan, în interiorul căreia (la fel ca gălbenușul dintr-un ou) se află un material de umplutură din pudră de aluminiu, acid sulfuric și oxisulfat de titan. Dimensiunile umpluturii pot varia independent de cochilie. Utilizarea unor astfel de particule a făcut posibilă triplarea capacității bateriilor moderne, iar durata unei încărcări complete a fost redusă la șase minute. Rata de degradare a bateriei a scăzut, de asemenea. Cireșul pe tort - cost de producție scăzut și ușurință de scalare.

Baterie cu încărcare ultra-rapidă din aluminiu-ion

Baterie Alfa - două săptămâni pe apă

Baterii care pot fi pliate ca hârtia

uBeam - încărcare peste aer

uBeam este un concept interesant pentru transmiterea energiei către un dispozitiv mobil folosind ultrasunete. Încărcătorul emite unde ultrasonice, care sunt captate de un receptor de pe dispozitiv și transformate în energie electrică. Aparent, invenția se bazează pe efectul piezoelectric: receptorul rezonează sub influența ultrasunetelor, iar vibrațiile sale generează energie.

Oamenii de știință de la Universitatea Queen Mary din Londra au urmat o cale similară. Au creat un prototip de smartphone care se încarcă pur și simplu din cauza zgomotelor externe, inclusiv a vocilor oamenilor.

StoreDot

Panou solar transparent

Un an mai târziu, în 2014, Tag Heuer a anunțat o nouă versiune a telefonului său de prezentare Tag Heuer Meridiist Infinite, care urma să aibă un panou solar transparent între sticla exterioară și ecranul în sine. Este adevărat, nu este clar dacă s-a ajuns la producție.

Etichete: Adăugați etichete