Are o baterie modernă cu una unică. Viitorul apropiat al bateriilor reîncărcabile

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 tehnologic. Și să mergi pe tracțiune electrică fără zumzetul obișnuit al motorului este doar mai plăcut. Necazul constant rămâne încă o bătaie de cap din cauza stării de încărcare a bateriei. La urma urmei, dacă scade la zero și nu există o singură stație de încărcare în apropiere, atunci nu vei avea probleme.

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

Fiabilitatea bateriei în sine este la fel de importantă. Să spunem dacă se poate descurca cu o excursie în munți sau cu o excursie în vara fierbinte. Desigur, atunci când decideți dacă să cumpărați o mașină electrică, ar trebui să luați în considerare și un astfel de factor precum numărul de stații de încărcare și prețul bateriilor.

Cât de departe poți merge cu baterii?

Mașinile electrice de pasageri de pe piață acoperă 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, iar în al doilea rând, mașinile electrice în sine ar deveni mult mai grele, așa că ar trebui proiectate bazându-se pe sarcini grele. Și asta contrazice obiectivele urmărite de producătorii de mașini electrice și anume ușurința în construcție.

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 cu motor 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 litiu de metal alcalin se găsește atât în electrozii 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 cu litiu-cobalt (LiCoO2), litiu-titan (Li4Ti5O12) și litiu-fier-fosfat (LiFePO4).

Bateriile cu litiu polimer joacă un rol deosebit. Aici, un plastic asemănător gelului acționează ca un electrolit. Aceste baterii sunt cele mai puternice de pe piață astăzi, atingând o capacitate de energie 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 din cauza valorii mari 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-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 de energie de 40 până la 60 de wați-oră pe kilogram. Proprietățile sunt și mai rele în bateriile cu plumb-acid - capacitatea de energie a acestora este de aproximativ 30 de wați-oră pe kilogram. Cu toate acestea, sunt mult mai ieftine și pot rezista la mulți ani de funcționare fără probleme.

Cât durează bateriile moderne?

Mulți oameni își amintesc așa-numitul efect de memorie al bateriei de stocare în bateriile vechi. S-a manifestat mai ales în bateriile cu nichel. Apoi, dacă cineva s-a gândit să încarce bateria unei șurubelnițe sau a unui laptop, deși bateria era aproape pe jumătate încărcată, capacitatea de a stoca energie electrică a fost redusă surprinzător. Prin urmare, înainte de fiecare proces de încărcare, energia trebuia consumată complet. Pentru vehiculele electrice, acest lucru ar fi un dezastru, deoarece acestea trebuie reîncărcate exact când se află 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 altceva - bateriile de laptop „mor” după câțiva ani de funcționare. În plus, factorii externi, cum ar fi temperaturile extreme sau o descărcare sau o supraîncărcare accidentală, pot deteriora definitiv bateriile. Foarte importantă în bateriile moderne de stocare este funcționarea neîntreruptă a electronicii care controlează procesul de machiaj.

Sunt superacumulatoarele doar o frază goală?

Experții de la Centrul de Cercetare Jülich lucrează la dezvoltarea bateriilor siliciu-aer. Ideea acumulatorilor de aer nu este chiar atât de nouă. Deci, mai devreme au încercat să dezvolte baterii litiu-aer, în care electrodul pozitiv ar fi format 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 în același mod. Acestea au insa avantajul de a fi compuse din siliciu foarte ieftin, care se gaseste in cantitati aproape nelimitate in natura sub forma de nisip. În plus, siliciul este utilizat în mod activ în tehnologia semiconductoarelor.

Pe lângă costul de producție potențial scăzut, caracteristicile tehnice ale acumulatorilor de aer sunt și ele, la prima vedere, destul de atractive. 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 de la Jülich dă ceva speranțe. Ei au descoperit că durata de viață a unor astfel de 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 viață pe care o au bateriile litiu-ion de astăzi.

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

Urmărirea vitezei de încărcare

Unul dintre parametrii bateriei pe care oamenii de știință și marile companii încearcă în mod constant să-i îmbunătățească este viteza de încărcare. Totuși, nu va fi posibilă creșterea acestuia la infinit nici din cauza legilor chimice ale reacțiilor care au loc în baterii (mai ales că dezvoltatorii bateriilor cu ioni de aluminiu au afirmat deja că acest tip de baterie poate fi încărcat complet într-un al doilea), 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 modifică în timpul încărcării). Totuși, dacă dorim să obținem o încărcare completă în doar un minut, avem nevoie de o putere de curent de 180 A fără a ține cont de diverse pierderi. Pentru a încărca dispozitivul cu un astfel de curent, veți avea nevoie de un fir cu un diametru de aproximativ 9 mm - de două ori mai gros decât smartphone-ul în sine. Da, și un curent de 180 A la o tensiune de aproximativ 5 V, un încărcător convențional nu va putea da afară: posesorii de smartphone-uri vor avea nevoie de un convertor de curent de impuls precum cel prezentat în fotografia de mai jos.

O alternativă la creșterea amperajului este creșterea tensiunii. Dar este, de regulă, fix, iar pentru bateriile litiu-ion este de 3,7 V. Desigur, poate fi depășit - încărcarea folosind tehnologia Quick Charge 3.0 merge cu o tensiune de până la 20 V, dar o încercare de încărcare bateria cu o tensiune de aproximativ 220 V este inutilă nu va duce la bine și nu este posibil să se rezolve această problemă în viitorul apropiat. Bateriile moderne pur și simplu nu pot folosi această tensiune.

Acumulatori eterni

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

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

Trecerea la a treia dimensiune

În 2013, sa raportat că cercetătorii de la Universitatea din Illinois dezvoltau un nou tip de baterie litiu-ion. Oamenii de știință au afirmat că puterea specifică a unor astfel de 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 de structuri destul de mici, cu o grosime de zeci de nanometri.

În loc de un anod plat și un catod folosit în bateriile tradiționale Li-Ion, oamenii de știință au propus utilizarea structurilor tridimensionale: 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 exacti 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 pentru consumatorii finali, acest lucru va fi cu mult timp în urmă.

Se încarcă prin ecran

Oamenii de știință și inginerii încearcă să prelungească durata de viață a gadgeturilor noastre nu numai prin căutarea de noi tipuri de baterii sau prin creșterea eficienței energetice a acestora, ci și în moduri destul de neobișnuite. Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan au propus încorporarea panourilor solare transparente direct într-un ecran. Deoarece principiul de funcționare a unor astfel de panouri se bazează pe absorbția radiației solare de către acestea, pentru a le face transparente, oamenii de știință au trebuit să meargă la truc: materialul panourilor de un nou tip absoarbe doar radiația invizibilă (infraroșu și ultraviolete), după care fotonii, reflectați de marginile largi ale sticlei, sunt absorbiți de panouri solare în dungi înguste de tip tradițional, situate de-a lungul marginilor sale.

Principalul obstacol în calea introducerii unei astfel de tehnologii este eficiența scăzută a unor astfel de 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 o soluție rapidă la această problemă. Apropo, o tehnologie similară a fost brevetată recent de Apple, dar nu se știe încă unde exact producătorul va plasa panouri solare în dispozitivele sale.

Înainte de aceasta, sub cuvintele „baterie” și „acumulator” ne referim la o baterie reîncărcabilă, dar unii cercetători cred că sursele de tensiune de unică folosință pot fi folosite 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-urilor - generatoare termoelectrice cu radioizotopi. Principiul de funcționare al RTG se bazează pe conversia căldurii eliberate în timpul dezintegrarii radio în energie electrică. Multe astfel de instalații sunt cunoscute pentru utilizarea lor în spațiu și în locuri greu accesibile de pe Pământ, dar în Statele Unite, bateriile radioizotopi miniaturale au fost folosite și în stimulatoare cardiace.

Din 2009 se lucrează la un tip îmbunătățit de astfel de baterii și au fost prezentate chiar și prototipuri ale unor astfel de baterii. Dar nu vom putea vedea în viitorul apropiat baterii cu radioizotopi în smartphone-uri: sunt scumpe de fabricat și, în plus, multe țări au restricții stricte privind producția și circulația materialelor radioactive.

Celulele cu hidrogen pot fi folosite și ca baterii de unică folosință, dar nu pot fi folosite în smartphone-uri. Bateriile cu hidrogen se consumă destul de repede: deși gadgetul tău va dura mai mult cu un cartus decât cu o singură încărcare a unei baterii obișnuite, acestea vor trebui înlocuite periodic. Totuși, 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 cartuşelor cu hidrogen, fără a le înlocui pentru a fi folosite pe viitoarele iPhone-uri.

Ideea că o baterie cu o capacitate specifică mare poate fi creată pe baza de grafen a fost prezentată încă din 2012. Și astfel, la începutul acestui an în Spania, s-a anunțat că a fost anunțată construcția de către Graphenano a unei fabrici de producție de baterii grafen-polimer pentru vehicule electrice. Noul tip de baterii este de aproape patru ori mai ieftin de fabricat decât bateriile tradiționale cu litiu-polimer, are o capacitate specifică de 600 Wh/kg, iar o astfel de baterie de 50 kWh va putea fi încărcată în doar 8 minute. Adevărat, așa cum am spus la început, aceasta va necesita o putere de aproximativ 1 MW, prin urmare, un astfel de indicator este realizabil doar în teorie. Nu este raportat exact momentul în care fabrica va începe să producă primele baterii grafen-polimer, dar este foarte posibil ca Volkswagen să fie printre cumpărătorii produselor sale. Compania 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 acestea 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.

Deci, de ce, în ciuda întregului optimism al oamenilor de știință și a știrilor care apar în mod regulat despre descoperiri în domeniul conservării energiei, asistăm acum la stagnare? În primul rând, ideea 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 obține o baterie cu încărcare în mai puțin de un minut și cu o durată de viață aproape nelimitată, de la care un smartphone modern cu opt- procesorul de bază 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, testare a probelor, dezvoltarea de noi materiale și procese tehnologice și alte lucrări care necesită mult timp. La urma urmei, aceleași baterii litiu-ion au fost nevoie de aproximativ cinci ani pentru a trece de la prototipuri de inginerie la dispozitive finite care ar putea fi folosite în telefoane.

Prin urmare, trebuie doar să avem răbdare și să nu luăm la inimă știrile despre noile elemente alimentare. Cel puțin până când vor apărea vești despre lansarea lor în producția de masă, când nu există nicio îndoială cu privire la viabilitatea noii tehnologii.

Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin, conduși de profesorul John Goodenough, în vârstă de 94 de ani, au dezvoltat un nou tip de baterie cu stare solidă. Interesant este 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 cu stare solidă, cu siguranță îmbunătățită, durabilitate și viteze de încărcare mai mari decât bateriile tradiționale.

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

Noile baterii au o densitate energetică de cel puțin trei ori mai mare decât bateriile moderne litiu-ion. Pentru vehiculele electrice, asta înseamnă că vor putea parcurge o distanță mai mare cu o singură încărcare, iar smartphone-urile se vor putea lăuda cu o autonomie ridicată. Pe lângă densitatea de energie crescută, noile baterii își păstrează și 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. Dacă este încărcat prea repede, poate apărea 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 folosirii electroliților de sticlă în locul electroliților lichizi este că aceștia pot funcționa fără probleme la temperaturi sub zero. În plus, toate elementele unei astfel de baterii pot fi realizate din materiale ecologice.

Din păcate, ca și în cazul altor tehnologii promițătoare pentru producția de baterii, nu se vorbește despre o utilizare 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 cu stare solidă care ar trebui să fie o alternativă mai eficientă și complet sigură la bateriile cu litiu-ion. Dezvoltarea este condusă de inventatorul John Goodenough, în vârstă de 94 de ani, care a co-fondat bateria litiu-ion în urmă cu aproape trei decenii.

După cum au descoperit experimentatorii, noul tip de baterii are o capacitate de energie de trei ori mai mare, se încarcă mai rapid, rezistă la temperaturi de până la -60 ° C, nu explodează din cauza supraîncălzirii sau deteriorarea carcasei și nu dăunează mediului atunci când sunt aruncate. . Ca material care stochează energie electrică, o astfel de baterie folosește nu litiu rar și scump, ci sodiu ieftin, care poate fi extras din apa de mare în același mod ca și 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 este încărcată prea repede, în baterie se pot forma muguri de litiu, ceea ce poate duce la o scădere a capacității, un scurtcircuit și chiar o explozie a bateriei. Sticla servește drept electrolit în noua baterie Goodenough, care permite ca metalele alcaline (cum ar fi sodiul sau potasiul) să fie folosite 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 parametri critici pentru adoptarea continuă a vehiculelor electrice. Credem că tehnologia noastră va ajuta la rezolvarea multor probleme la care sunt supuse bateriile moderne ”, a comentat John Goodenough despre invenția sa.

Goodenough nu este primul care decide să înlocuiască un electrolit lichid cu unul solid. Înaintea lui, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au fost implicați în experimente similare. Au folosit sulfuri, dar au descoperit că acest material este prea fragil, așa că bateriile bazate pe el nu pot fi folosite în tehnologia portabilă și vehiculele electrice.

Bateriile cu litiu-ion au fost folosite în electronică încă de la începutul anilor nouăzeci și aproape au înlocuit toate celelalte tipuri de baterii. De 25 de ani, nu s-a realizat o descoperire semnificativă în această tehnologie - eficiența energetică a unor astfel de baterii, deși 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 epuizare completă.

Un nou tip de baterie de la inventatorul bateriei litiu-ion
Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin au creat baterii cu stare solidă care ar trebui să fie o alternativă mai eficientă și complet sigură la bateriile cu 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 de la anodul de litiu prin electrolit și reacționează cu oxigenul, formând (ideal) peroxid de litiu Li 2 O 2, care este reținut la catod, iar electronii trec de la anod la catod prin circuitul de sarcină. . Avantajul probelor litiu-aer față de litiu-ion tradițional este densitatea mai mare de energie atinsă.

Performanța bateriilor litiu-aer este influențată de mulți factori: umiditatea relativă, presiunea parțială a oxigenului, compoziția electrolitului, selecția catalizatorului și aspectul general al dispozitivului. De asemenea, trebuie avut în vedere că produșii de reacție (Li 2 O 2) depuși pe electrodul de carbon blochează căile de pătrundere a oxigenului, limitând capacitatea. Un electrod de aer cu configurația optimă, prin urmare, trebuie să aibă atât pori de dimensiuni micro, care asigură trecerea liberă a oxigenului, cât și cavități de dimensiuni nanometrice, care creează o densitate suficientă a locurilor pentru reacțiile Li-O2.

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

Foile de grafen 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 doi, dar menținerea la 1050 ˚C pentru doar 30 s permite creșterea acestuia la

15 din cauza eliberării de CO 2. După ce dioxidul de carbon pleacă, foile capătă defecte ale rețelei, care contribuie la formarea particulelor izolate de Li 2 O 2 nanodimensionate care nu blochează accesul la oxigen în timpul funcționării bateriei.

Foile preparate au fost plasate într-o soluție de microemulsie care conține lianți. După uscare, electrodul a căpătat o structură internă neobișnuită, în care ies în evidență elementele în formă de ou împachetate. Între ele erau așezate pasaje largi, iar „coaja” elementelor conținea numeroși pori nanodimensionați. Cu alte cuvinte, designul electrodului a fost aproape de optim.

Electrozi de grafen: deasupra - tocmai fabricați, dedesubt - după descărcare. Săgețile marchează particule de Li 2 O 2. Dimensiunile sunt in micrometri.

În experimente, bateriile litiu-aer cu electrozi de grafen (fără catalizator) au demonstrat o capacitate record de 15.000 mAh per gram de carbon. Remarcăm 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 designul membranei, care garantează protecție împotriva apei, dar va permite trecerea oxigenului necesar.

„De asemenea, vrem să facem bateria complet reîncărcabilă”, spune liderul echipei Ji-Guang Zhang. „Acest lucru va necesita un nou electrolit și un nou catalizator, iar 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 de curent electrochimic, oamenii de știință au dezvoltat o altă opțiune. Avantajele sale declarate sunt pericolul de incendiu mai mic și capacitatea specifică de zece ori mai mare decât bateriile cu litiu-ion.

Chimiștii de la Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT) au propus conceptul de baterii pe bază de fluoruri metalice și chiar au testat mai multe mostre mici de laborator.

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

„Deoarece un singur atom de metal poate accepta sau dona mai mulți electroni simultan, acest concept realizează densități de energie extrem de ridicate – de până la zece ori mai mari decât bateriile convenționale cu litiu-ion”, spune coautorul dr. Maximilian Fichtner.

Pentru a testa ideea, cercetătorii germani au creat mai multe mostre 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 conductiv de ioni de fluor funcționează bine numai la temperaturi ridicate. Prin urmare, chimiștii caută un înlocuitor pentru acesta - un electrolit lichid care să acționeze la temperatura camerei.

(Detalii pot fi găsite în comunicatul de presă al institutului și în articolul Journal of Materials Chemistry.)

Este dificil de prezis ce va deține piața bateriilor în viitor. Bateriile cu litiu sunt încă în fruntea jocului și au un potențial bun datorită dezvoltării polimerilor de litiu. Introducerea elementelor argint-zinc este un proces foarte lung și costisitor, iar oportunitatea acestuia este încă o problemă discutabilă. Tehnologiile cu celule de combustie 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 voluminoase, 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 un pas.

În paralel cu notebook-urile 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.

V NiCd-acumulatorii au si posibilitatea de electroliza. Pentru a preveni acumularea hidrogenului exploziv în ele, bateriile sunt echipate cu supape microscopice.

La renumitul institut MIT Recent, prin eforturile unor viruși special antrenați, a fost dezvoltată o tehnologie unică pentru producerea bateriilor cu litiu.

În ciuda faptului că pila de combustibil arată complet diferit de o baterie tradițională, funcționează după aceleași principii.

Cine altcineva poate sugera niște direcții promițătoare?

Au fost fabricați electrozi de grafen promițători pentru bateriile litiu-aer
Continui sa indeplinesc dorintele prietenilor mei de la MASA DE COMANDI din octombrie. Am citit întrebarea lui Trudnopisaka: Ar fi interesant să știm despre noile tehnologii de baterii care sunt pregătite pentru producția de masă. Ei bine, desigur, criteriul pentru producția de masă este oarecum extensibil, dar ...

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

Cehul Jan Prochazka a creat un tip revoluționar de baterie, a cărei producție este acum gata să fie finanțată de cei mai mari investitori ai lumii.

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

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

Noile baterii ultra-mari sunt capabile să rezolve problema principală a energiei alternative - stocarea pe termen lung a energiei acumulate. În plus, ele pot fi utilizate în vehiculele electrice - ca urmare, autonomia de croazieră va crește semnificativ.

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

Invenția cehului 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 este gata să plătească cu 50 de milioane de euro în plus pentru 49% din acțiunile HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Dar generozitatea miliardarului chinez nu se oprește nici aici, pe viitor plănuind să investească încă 50 de milioane de euro dacă proiectul se dovedește bine.

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

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

* controler negativ inclus pentru comentarii

Comunități ›Mașini electrice› Blog ›Baterie noi cu capacitate de 20 de ori mai mare
Tags: baterie 3d, tip baterie revolutionara, he3da. Cehul Jan Prochazka a creat un tip revoluționar de baterie, a cărei producție este acum gata să fie finanțată de cei mai mari investitori ai lumii. Noua baterie 3D diferă de mostrele cunoscute anterior prin modul în care este produsă. Chestia este că în noua baterie celulele galvanice sunt amplasate orizontal.

Mulți oameni cred că viitorul industriei auto se află în mașinile electrice. Există facturi în străinătate, conform cărora unele dintre mașinile vândute anual trebuie fie să fie hibride, fie să funcționeze cu energie electrică, așa că banii sunt investiți nu doar în reclamele unor astfel de mașini, ci și în construcția de benzinării.

Cu toate acestea, mulți oameni încă așteaptă ca mașinile electrice să devină adevărați rivali cu mașinile tradiționale. Sau poate va fi atunci când timpul de încărcare scade și durata de viață a bateriei crește? Poate că bateriile cu grafen vor ajuta omenirea în acest sens.

Ce este grafenul?

Un material revoluționar de nouă generație, cel mai ușor și mai puternic, cel mai conductor electric - totul este despre grafen, care nu este altceva decât o rețea de carbon bidimensională cu grosimea de un atom. Creatorii grafenului, Konstantin Novoselov, au primit Premiul Nobel. De obicei, între descoperirea și începutul utilizării practice a acestei descoperiri trece mult timp, uneori chiar zeci de ani, dar grafenul nu a suferit o asemenea soartă. Poate că acest lucru se datorează faptului că Novoselov și Geim nu au ascuns tehnologia producției sale.

Ei nu numai că au spus lumii întregi despre asta, ci au și arătat: există un videoclip pe YouTube, unde Konstantin Novoselov vorbește în detaliu despre această tehnologie. Prin urmare, poate că în curând vom putea chiar să facem baterii cu grafen cu propriile noastre mâini.

Dezvoltare

Au existat încercări de a folosi grafenul în aproape toate domeniile științei. A fost încercat în panouri solare, căști, carcase și chiar a încercat să trateze cancerul. Cu toate acestea, în acest moment, unul dintre cele mai promițătoare și necesare lucruri pentru omenire este o baterie cu grafen. Amintiți-vă că, cu un astfel de avantaj incontestabil precum combustibilul ieftin și ecologic, vehiculele electrice au un dezavantaj serios - o viteză maximă relativ scăzută și o rezervă de putere de cel mult trei sute de kilometri.

Rezolvarea problemei secolului

O baterie cu grafen funcționează pe același principiu ca o baterie cu plumb cu un electrolit alcalin sau acid. Acest principiu este o reacție electrochimică. Structura unei baterii cu grafen este similară cu o baterie litiu-ion cu un electrolit solid, în care catodul este cocs de cărbune, care este aproape ca compoziție de carbonul pur.

Cu toate acestea, există deja două direcții fundamental diferite în rândul inginerilor care dezvoltă baterii cu grafen. În Statele Unite, oamenii de știință au propus realizarea unui catod din plăci de grafen și siliciu intercalate între ele, iar anodul din cobalt clasic de litiu. Inginerii ruși au găsit o altă soluție. Sarea de litiu toxică și scumpă poate fi înlocuită cu oxid de magneziu mai ecologic și mai ieftin. Capacitatea bateriei este mărită în orice caz prin creșterea ratei de trecere a ionilor de la un electrod la altul. Acest lucru se realizează datorită faptului că grafenul are o permeabilitate electrică ridicată și capacitatea de a acumula sarcină electrică.

Opiniile oamenilor de știință despre inovații sunt împărțite: inginerii ruși susțin că bateriile cu grafen au o capacitate de două ori mai mare decât bateriile cu litiu-ion, în timp ce colegii lor străini susțin că este de zece.

Bateriile cu grafen au fost produse în serie în 2015. De exemplu, compania spaniolă Graphenano face acest lucru. Potrivit producătorului, utilizarea acestor baterii în vehiculele electrice la locurile logistice arată posibilitățile practice reale ale unei baterii cu catod grafen. Durează doar opt minute pentru a se încărca complet. Bateriile cu grafen pot crește, de asemenea, lungimea maximă a căii. Încărcare pentru 1000 km în loc de trei sute - asta vrea să ofere consumatorului corporația Graphenano.

Spania și China

Compania chineză Chint cooperează cu Graphenano, care a cumpărat un pachet de 10% din corporația spaniolă pentru 18 milioane de euro. Fondurile comune vor fi utilizate pentru construirea unei fabrici cu douăzeci de linii de producție. Proiectul a primit deja circa 30 de milioane de investiții, care vor fi investite în instalarea de echipamente și angajarea de angajați. Conform planului inițial, uzina trebuia să înceapă să producă aproximativ 80 de milioane de baterii. În etapa inițială, China ar trebui să devină principala piață, iar apoi a fost planificat să înceapă livrările în alte țări.

În a doua fază, Chint este gata să investească 350 de milioane de euro pentru a construi o altă fabrică, care va avea aproximativ 5.000 de angajați. Aceste cifre nu sunt surprinzătoare dacă ai în vedere că veniturile totale vor fi de aproximativ trei miliarde de euro. În plus, China, cunoscută pentru problemele sale de mediu, va primi „combustibil” ecologic și ieftin. Totuși, după cum putem observa, în afară de declarațiile zgomotoase, lumea nu a văzut nimic, doar modele de testare. Deși Volkswagen și-a anunțat și intenția de a coopera cu Graphenano.

Așteptări și realitate

Este 2017, ceea ce înseamnă că Graphenano este angajat în producția „în masă” de baterii de doi ani, dar întâlnirea cu o mașină electrică pe șosea este o raritate nu numai pentru Rusia. Toate specificațiile și datele publicate de corporație sunt destul de vagi. În general, acestea nu depășesc conceptele teoretice general acceptate cu privire la parametrii care ar trebui să aibă o baterie cu grafen pentru un vehicul electric.

În plus, până acum, tot ceea ce a fost prezentat atât consumatorilor, cât și investitorilor este doar modele pe computer, fără prototipuri reale. La problemă se adaugă și faptul că grafenul este un material foarte scump de fabricat. În ciuda declarațiilor zgomotoase ale oamenilor de știință despre cum poate fi „imprimat pe genunchi”, în acest stadiu este posibil să se reducă doar costul unor componente.

Grafenul și piața mondială

Susținătorii tot felul de teorii ale conspirației vor spune că nimeni nu beneficiază de aspectul unei astfel de mașini, pentru că atunci petrolul va trece pe plan secund, ceea ce înseamnă că și veniturile din producția sa vor scădea. Cu toate acestea, cel mai probabil, inginerii au întâmpinat unele probleme, dar nu vor să-i facă publicitate. Cuvântul „grafen” este acum auzit, mulți îl consideră, prin urmare, probabil, oamenii de știință nu vor să-i strice faima.

Probleme de dezvoltare

Totuși, ideea poate fi că materialul este cu adevărat inovator, așa că abordarea necesită unul adecvat. Este posibil ca bateriile care utilizează grafen să fie fundamental diferite de bateriile tradiționale cu litiu-ion sau litiu-polimer.

Există o altă teorie. Graphenano Corp. a declarat că noile baterii se încarcă în doar opt minute. Experții confirmă că acest lucru este cu adevărat posibil, doar puterea sursei de alimentare trebuie să fie de cel puțin un megawatt, ceea ce este posibil în condiții de testare din fabrică, dar nu și acasă. Construirea unui număr suficient de benzinării cu o astfel de capacitate va costa o mulțime de bani, prețul unei reîncărcări va fi destul de mare, așa că o baterie cu grafen pentru o mașină nu va aduce niciun beneficiu.

Practica arată că tehnologiile revoluționare au fost construite pe piața mondială de mult timp. Este necesar să se efectueze multe teste pentru a asigura siguranța unui produs, astfel încât lansarea noilor dispozitive tehnologice este uneori amânată cu mulți ani.

Citim intrebarea trudnopisaka :

„Ar fi interesant de știut despre noile tehnologii de baterii care sunt pregătite pentru producția în serie."

Ei bine, desigur, criteriul pentru producția de masă este oarecum extensibil, dar haideți să încercăm să aflăm ce este promițător acum.

Iată ce au venit chimiștii:

Tensiunea celulei în volți (verticală) și capacitatea catodului specific (mAh / g) a unei baterii noi imediat după fabricare (I), prima descărcare (II) și prima încărcare (III) (ilustrare Hee Soo Kim et al./Nature Communications ) ...

În ceea ce privește potențialul lor energetic, bateriile bazate pe o combinație de magneziu și sulf sunt capabile să ocolească bateriile cu litiu. Dar până acum, nimeni nu a putut face ca aceste două substanțe să lucreze împreună într-o celulă a bateriei. Acum, cu unele rezerve, o echipă de specialiști din Statele Unite a reușit.

Oamenii de știință de la Institutul de Cercetare Toyota din America de Nord (TRI-NA) au încercat să rezolve principala problemă cu care se confruntă dezvoltarea bateriilor cu magneziu-sulf (Mg/S).

Preparat pe baza materialelor Pacific Northwest National Laboratory.