Imaginați-vă un telefon mobil care reține încărcarea timp de peste o săptămână și apoi se încarcă în 15 minute. Fantastic? Dar poate deveni realitate datorită unui nou studiu realizat de oamenii de știință de la Universitatea Northwestern (Evanston, Illinois, SUA). O echipă de ingineri a dezvoltat un electrod pentru bateriile reîncărcabile litiu-ion (care sunt folosite astăzi în majoritatea telefoanelor mobile), care le-a crescut capacitatea energetică de 10 ori. Surprizele plăcute nu se limitează la asta - noile dispozitive cu baterii sunt capabile să se încarce de 10 ori mai repede decât cele actuale.
Pentru a depăși limitările impuse de tehnologiile existente asupra capacității energetice și ratei de încărcare a bateriei, oamenii de știință au aplicat două abordări diferite de inginerie chimică. Bateria rezultată nu numai că va prelungi durata de funcționare a dispozitivelor electronice mici (cum ar fi telefoanele și laptopurile), dar va deschide și calea pentru dezvoltarea unor baterii mai eficiente și mai compacte pentru vehiculele electrice.
„Am găsit o modalitate de a extinde timpul de retenție al noii baterii litiu-ion de 10 ori”, a spus profesorul Harold H. Kung, unul dintre autorii principali ai studiului. „Chiar și după 150 de sesiuni de încărcare/descărcare, ceea ce înseamnă cel puțin un an de funcționare, rămâne de cinci ori mai eficient decât bateriile litiu-ion de pe piață astăzi”.
Funcționarea unei baterii cu ioni de litiu se bazează pe o reacție chimică în care ionii de litiu se deplasează între un anod și un catod plasat la capete opuse ale bateriei. În timpul funcționării bateriei, ionii de litiu migrează de la anod prin electrolit la catod. La încărcare, direcția lor este inversată. Bateriile existente în prezent au două limitări importante. Capacitatea lor energetică - adică timpul în care bateria poate menține încărcarea - este limitată de densitatea de încărcare sau de câți ioni de litiu pot fi găzduiți la anod sau catod. În același timp, rata de încărcare a unei astfel de baterii este limitată de rata la care ionii de litiu sunt capabili să se deplaseze prin electrolit către anod.
În bateriile reîncărcabile actuale, un anod format din multe foi de grafen poate avea doar un litiu la fiecare șase atomi de carbon (din care este făcut grafenul). În încercarea de a crește capacitatea energetică a bateriilor, oamenii de știință au experimentat deja înlocuirea carbonului cu siliciu, care poate conține mult mai mult litiu: patru atomi de litiu pentru fiecare atom de siliciu. Cu toate acestea, în timpul încărcării, siliciul se extinde și se contractă brusc, ceea ce provoacă fragmentarea substanței anodice și, ca urmare, o pierdere rapidă a capacității de încărcare a bateriei.
În prezent, rata scăzută de încărcare a bateriei se explică prin forma foilor de grafen: în comparație cu grosimea (constituind doar un atom), lungimea lor este prohibitiv de mare. În timpul încărcării, ionul de litiu trebuie să călătorească spre marginile exterioare ale foilor de grafen, apoi să treacă între ele și să se oprească undeva în interior. Deoarece este nevoie de mult timp pentru ca litiul să ajungă la mijlocul unei foi de grafen, la margini se observă ceva asemănător unui blocaj ionic.
După cum sa spus, echipa de cercetare a lui Kuong a rezolvat ambele probleme prin adoptarea a două tehnologii diferite. În primul rând, pentru a asigura stabilitatea siliciului și pentru a menține astfel capacitatea maximă de încărcare a bateriei, au plasat grupuri de siliciu între foile de grafen. Acest lucru a făcut posibilă creșterea numărului de ioni de litiu din electrod, folosind simultan flexibilitatea foilor de grafen pentru a ține cont de modificările volumului de siliciu în timpul încărcării/descărcării bateriei.
„Acum ucidem ambele păsări dintr-o singură lovitură”, spune Kung. „Datorită siliciului, obținem o densitate de energie mai mare, iar intercalarea straturilor reduce pierderea de putere cauzată de expansiunea / contracția siliciului. Chiar și cu distrugerea clusterelor de siliciu, siliciul în sine nu va merge altundeva.”
În plus, cercetătorii au folosit procesul de oxidare chimică pentru a crea găuri miniaturale (10-20 nanometri) în foile de grafen („defecte în plan”), care oferă ionilor de litiu „acces rapid” la interiorul anodului, iar apoi depozitarea în ea ca urmare a reacției cu siliciul. Acest lucru a redus timpul necesar pentru încărcarea bateriei cu un factor de 10.
Până acum, toate eforturile de optimizare a performanței bateriei s-au concentrat pe una dintre componentele acestora - anodul. La următoarea etapă a cercetării, oamenii de știință intenționează să studieze modificările catodului în același scop. În plus, doresc să modifice sistemul de electroliți, astfel încât bateria să se poată opri automat (și reversibil) la temperaturi ridicate - un mecanism de protecție similar ar putea fi la îndemână atunci când se folosesc bateriile în vehiculele electrice.
Potrivit dezvoltatorilor, în forma sa actuală, noua tehnologie ar trebui să intre pe piață în următorii trei până la cinci ani. Un articol despre rezultatele cercetării și dezvoltării noilor baterii de stocare a fost publicat în revista „Advanced Energy Materials”.
Baterie „cuantică”.
În perioada 26 februarie - 28 februarie, Tokyo găzduiește o expoziție de unități, care, printre altele, prezintă Micronics Japan Co. Ltd. Se știu puține despre evoluțiile ei anterioare, dar mai recent ea a anunțat că a dezvoltat și pregătit pentru producție un nou tip de baterie stratificată. Celula unică pe care compania o demonstrează este un film semiconductor de oxid metalic de tip n care utilizează particule de dioxid de titan, dioxid de staniu și oxid de zinc acoperite cu o peliculă izolatoare. Prototipul folosește o foaie de oțel inoxidabil de 10 microni, dar va fi înlocuit în curând cu aluminiu.
Dezvoltatorii și-au numit bateria Quantum pentru a sublinia natura sa fizică și nu chimică. Deși folosește electroni pentru a stoca energie în loc de ioni, această baterie este diferită în principiu de condensatoare. Se susține că sistemul se bazează pe stocarea electronilor „în banda interzisă” a unui semiconductor.
În producția de structuri „metal – oxid – semiconductor”, stratul de încărcare al dispozitivului de stocare este iradiat cu lumină ultravioletă. După fabricație, în timpul încărcării, electronii ocupă niveluri de energie liberă în materialul de lucru și sunt stocați acolo până când bateria trebuie să fie descărcată. Rezultatul sunt baterii reîncărcabile cu o densitate foarte mare de stocare a energiei.
Nu se știe ce au mostrele de testare, dar dezvoltatorul susține că mostrele în serie care vor apărea în viitorul apropiat vor avea o capacitate de până la 500 W h/l și, în același timp, vor putea livra până la 8.000 de wați. de putere de vârf pe litru de volum.
Aceste unități combină cele mai bune caracteristici ale bateriilor și supercondensatorilor. Chiar și cu o capacitate mică, vor putea furniza putere de vârf ridicată. Tensiunea îndepărtată de la astfel de dispozitive de stocare nu scade pe măsură ce acestea sunt descărcate, dar rămâne stabilă până la capăt.
Intervalul de temperatură de funcționare declarat este de la -25 la +85 ° C. Bateria poate fi supusă la 100 de mii de cicluri de încărcare-descărcare până când capacitatea scade sub 90% față de cea originală. Capacitatea de a extrage și elibera rapid energie va reduce foarte mult timpul de încărcare. În plus, aceste baterii sunt ignifuge. Materialele rare sau scumpe nu sunt folosite în producția sa. În general, sunt atât de multe plusuri încât nici nu-mi vine să cred.
Baterie cu auto-încărcare
Un grup de cercetători condus de Zhong Lin Wang de la Institutul de Tehnologie din Georgia (SUA) a creat o baterie cu autoîncărcare care nu necesită conectarea la o priză pentru a se reîncărca.
Aparatul este încărcat prin impact mecanic, sau mai bine zis, prin apăsare. Este planificat să fie utilizat în smartphone-uri și alte dispozitive tactile.
Dezvoltatorii și-au plasat dispozitivul sub tastele calculatorului și au putut asigura funcționarea acestuia în 24 de ore datorită energiei de la apăsarea butoanelor.
Bateria este un „prirog” format din pelicule de fluorură de poliviniliden și zirconat-titanat-plumb cu o grosime de câteva sute de micrometri. Când sunt apăsați pe el, ionii de litiu migrează de la catod la anod datorită efectului piezoelectric. Pentru a îmbunătăți eficiența prototipului, cercetătorii au adăugat nanoparticule la materialul piezoelectric al acestuia, care sporesc efectul corespunzător și au obținut o creștere semnificativă a capacității și vitezei de reîncărcare a dispozitivului.
Trebuie sa intelegi ca bateria este opaca, asa ca poate incapea doar sub butoane sau sub ecran.
Bateria nu are caracteristici atât de remarcabile precum dispozitivul descris anterior (acum capacitatea unei baterii de dimensiunea unei „tablete” standard pentru plăci de bază a crescut de la 0,004 inițial la 0,010 mAh), dar dezvoltatorii promit să lucreze mai mult la ea. eficienţă. Desenele industriale sunt încă departe, deși ecranele flexibile - principalele dispozitive în care dezvoltatorii plănuiesc să-și plaseze bateriile - sunt încă slab distribuite. Mai este timp să vă finalizați invenția și să o introduceți în producție.
Baterie de zahăr
Se pare că doar asiaticii dezvoltă baterii. Prototipul unei alte baterii neobișnuite a fost creat la Universitatea Politehnică Americană din Virginia.
Această baterie funcționează în esență pe zahăr, mai exact pe maltodextrină, o polizaharidă obținută în urma hidrolizei amidonului. Catalizatorul dintr-o astfel de baterie este o enzimă. Este mult mai ieftin decât platina, care este acum folosită în bateriile convenționale. O astfel de baterie aparține tipului de celule de combustibil cu enzime. Electricitatea este produsă aici prin reacția oxigenului, aerului și apei. Spre deosebire de celulele de combustibil cu hidrogen, enzimele sunt neinflamabile și neexplozive. Iar după ce bateria se epuizează, potrivit dezvoltatorilor, aceasta poate fi alimentată cu zahăr.
Se cunosc puține despre caracteristicile tehnice ale acestui tip de baterie. Se afirmă doar că densitatea de energie în ele este de câteva ori mai mare decât în bateriile convenționale cu litiu-ion. Costul unor astfel de baterii este semnificativ mai mic decât al celor convenționale, așa că dezvoltatorii sunt încrezători că își vor găsi utilizare comercială în următorii 3 ani. Să așteptăm promisiunea.
Baterie cu structură grenadă
Dar oamenii de știință de la Laboratorul Național de Accelerare American SLAC de la Universitatea Stanford au decis să mărească volumul bateriilor convenționale folosind structura unei grenade.
Dezvoltatorii au redus pe cât posibil dimensiunea anozilor și i-au plasat pe fiecare într-o carcasă de carbon. Acest lucru previne distrugerea lor. În timpul încărcării, particulele se extind și se combină în grupuri, care sunt, de asemenea, plasate într-o carcasă de carbon. Ca urmare a acestei manipulări, capacitatea acestor baterii este de 10 ori mai mare decât a bateriilor convenționale litiu-ion.
Din experimente rezultă că, după 1000 de cicluri de încărcare/descărcare, bateria își păstrează 97% din capacitatea sa inițială.
Dar este prea devreme să vorbim despre aplicarea comercială a acestei tehnologii. Nanoparticulele de siliciu sunt prea scumpe de fabricat, iar procesul de creare a unor astfel de baterii este prea complicat.
Bateriile atomice
Și, în sfârșit, vă voi spune despre dezvoltare oameni de știință britanici... Au decis să-și depășească colegii prin crearea unui reactor nuclear în miniatură. Un prototip de baterie atomică, creat de cercetătorii de la Universitatea din Surrey pe baza de tritiu, produce suficientă energie pentru a opera un telefon mobil timp de 20 de ani. Adevărat, nu îl veți putea reîncărca mai târziu.
Într-o baterie, care este un microcircuit integrat, are loc o reacție nucleară, în urma căreia se generează 0,8 - 2,4 wați de energie. Temperatura de funcționare a bateriei este între -50 și +150. În același timp, nu se teme de schimbările bruște de temperatură și presiune.
Dezvoltatorii susțin că tritiul, care este conținut în baterie, nu este periculos pentru oameni, deoarece există foarte puțin conținut acolo. Cu toate acestea, este prea devreme să vorbim despre producția în masă a unor astfel de surse de alimentare - oamenii de știință trebuie încă să efectueze o mulțime de cercetări și teste.
Concluzie
Desigur, nu toate tehnologiile descrise mai sus își vor găsi aplicația, cu toate acestea, trebuie să înțelegem că în următorii câțiva ani ar trebui să apară o descoperire în tehnologia de producție a bateriilor, ceea ce va presupune o creștere a proliferării vehiculelor electrice și a producția de smartphone-uri și alte dispozitive electronice de tip nou.
- Traducere
În ultimii ani, am auzit adesea că aproape - și umanitatea va primi baterii care vor putea să ne alimenteze gadgeturile timp de săptămâni sau chiar luni, fiind în același timp foarte compacte și cu încărcare rapidă. Dar lucrurile sunt încă acolo. De ce nu au apărut încă bateriile mai eficiente și ce evoluții există în lume, citiți sub tăietură.
Astăzi, o serie de startup-uri sunt aproape de a crea baterii compacte sigure, cu costuri de stocare a energiei de aproximativ 100 USD per kWh. Acest lucru ar rezolva problema alimentării cu energie 24/7 și, în multe cazuri, ar trece la surse de energie regenerabilă și, în același timp, ar reduce greutatea și costul vehiculelor electrice.
Dar toate aceste evoluții se apropie extrem de lent de nivelurile comerciale, ceea ce nu permite accelerarea tranziției de la resursele fosile la sursele regenerabile. Chiar și Elon Musk, care iubește promisiunile îndrăznețe, a fost forțat să admită că divizia sa de automobile îmbunătățește treptat bateriile litiu-ion, mai degrabă decât creează tehnologii inovatoare.
Mulți dezvoltatori cred că bateriile viitoare vor avea o formă, structură și compoziție chimică foarte diferite în comparație cu litiu-ion, care a înlocuit alte tehnologii de pe multe piețe în ultimul deceniu.
Fondatorul SolidEnergy Systems, Qichao Hu, care dezvoltă de zece ani o baterie litiu-metal (anodul este metal, nu grafit, ca în litiu-ion tradițional), susține că principala problemă în crearea de noi tehnologii de stocare a energiei este ca odata cu imbunatatirea unui parametru, ceilalti se inrautatesc. În plus, astăzi există atât de multe evoluții, ai căror autori își susțin cu voce tare superioritatea, încât este foarte greu pentru startup-uri să convingă potențialii investitori și să strângă suficiente fonduri pentru a continua cercetarea.
Incarcator Bioo
Acest dispozitiv este sub forma unui ghiveci special care folosește energia fotosintezei pentru a încărca gadgeturi mobile. Mai mult, este deja disponibil pentru vânzare. Aparatul poate asigura două până la trei sesiuni de încărcare pe zi cu o tensiune de 3,5 V și un amperaj de 0,5 A. Materialele organice din oală interacționează cu apa și cu produsele reacției de fotosinteză, ca urmare, se obține suficientă energie pentru a încărcați smartphone-uri și tablete.
Imaginați-vă plantații întregi în care fiecare copac este plantat deasupra unui astfel de dispozitiv, doar mai mari și mai puternici. Acest lucru va furniza energie „gratuită” caselor din jur și va fi un motiv convingător pentru a proteja pădurile de defrișări.
Baterii cu nanofire de aur
Universitatea din California din Irvine a dezvoltat baterii cu nanofire care pot rezista la peste 200.000 de cicluri de încărcare timp de trei luni, fără semne de degradare a capacității. Acest lucru va crește dramatic ciclul de viață al sistemelor de alimentare din sistemele critice și electronicele de larg consum.
Nanospecialiștii de mii de ori mai subțiri decât părul uman promit un viitor strălucit. În dezvoltarea lor, oamenii de știință au folosit fire de aur într-o teacă de dioxid de mangan, care sunt plasate într-un electrolit asemănător gelului. Acest lucru previne distrugerea nanofirelor cu fiecare ciclu de încărcare.
Baterii cu magneziu
Toyota lucrează la utilizarea magneziului în baterii. Acest lucru va permite crearea unor module mici, bine împachetate, care nu au nevoie de carcase de protecție. Pe termen lung, astfel de baterii pot fi mai ieftine și mai compacte decât bateriile litiu-ion. Adevărat, acest lucru nu se va întâmpla curând. Dacă se întâmplă.
Baterii cu stare solidă
Bateriile convenționale cu litiu-ion folosesc un electrolit lichid, inflamabil ca mediu pentru transportul particulelor încărcate între electrozi, degradând treptat bateria.Sunt lipsiți de acest dezavantaj stare solidă baterii litiu-ion, care sunt considerate una dintre cele mai promițătoare astăzi. În special, dezvoltatorii Toyota au publicat o lucrare științifică în care și-au descris experimentele cu conductori superionici cu sulfuri. Dacă reușesc, 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 cu stare solidă, astfel de baterii vor fi mult mai stabile și mai sigure decât bateriile moderne litiu-ion. Intervalul lor de temperatură de funcționare se va extinde, de asemenea, de la –30 la +100 de grade Celsius.
Oamenii de știință de la MIT au colaborat și cu Samsung pentru a dezvolta baterii cu stare solidă care depășesc bateriile litiu-ion de astăzi. Sunt mai sigure, consumul lor de energie este cu 20-30% mai mare și, în plus, pot rezista la sute de mii de cicluri de reîncărcare. În plus, nu sunt periculoase pentru incendiu.
Celule de combustibil
Îmbunătățirea celulelor de combustie ar putea duce la reîncărcarea smartphone-urilor o dată pe săptămână, iar dronele ar putea zbura mai mult de o oră. Oamenii de știință de la Universitatea de Știință și Tehnologie Pohang (Coreea de Sud) au creat o celulă în care sunt combinate elemente poroase din oțel inoxidabil cu un electrolit în peliculă subțire și electrozi cu o capacitate termică minimă. Designul s-a dovedit a fi mai fiabil și durează mai mult decât bateriile litiu-ion. Este posibil ca dezvoltarea să fie implementată în produse comerciale, în primul rând pe smartphone-urile Samsung.Baterii auto din grafen
Mulți experți cred că viitorul aparține bateriilor cu grafen. Graphenano a dezvoltat bateria Grabat, care poate oferi un vehicul electric cu o autonomie de până la 800 km. Dezvoltatorii susțin că bateria poate fi încărcată în doar câteva minute - rata de încărcare/descărcare este de 33 de ori mai rapidă decât cea a litiu-ion. Descărcarea rapidă este deosebit de importantă pentru a asigura o dinamică ridicată a accelerației la vehiculele electrice.
Capacitatea Grabatului 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-supercondensatorilor. 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 cu litiu-ion și se pot descărca mai lent decât supercondensatorii folosiți astăzi. În plus, sunt de încredere, în cursul experimentelor au continuat să funcționeze chiar și după 10 mii de îndoiri.
Baterii cu ioni de sodiu
Un grup de cercetători francezi și companii RS2E a dezvoltat baterii de laptop cu ioni de sodiu care folosesc sare obișnuită. Principiul de funcționare și procesul de fabricație sunt ținute secrete. Capacitatea unei baterii de 6,5 centimetri este de 90 Wh / kg, ceea ce este comparabil cu bateriile de masă litiu-ion, dar nu poate rezista la mai mult de 2 mii de cicluri de încărcare.
Acumulatoare de spumă
O altă tendință în dezvoltarea tehnologiilor de stocare a energiei este crearea de structuri tridimensionale. În special, Prieto a creat o baterie bazată pe un substrat de spumă metalică (cupru). Nu există electrolit inflamabil, o astfel de baterie are o resursă lungă, se încarcă mai repede, densitatea sa este de cinci ori mai mare și este, de asemenea, mai ieftină și mai mică decât bateriile moderne. Prieto speră să introducă mai întâi dezvoltarea sa în electronicele portabile, dar susține că tehnologia poate fi răspândită mai pe scară largă: folosită în smartphone-uri și chiar în mașini.
Încărcare rapidă de mare capacitate „nano-gălbenuș”
O altă dezvoltare a Institutului de Tehnologie din Massachusetts - nanoparticule pentru baterii: o coajă goală din dioxid de titan, în interiorul căreia (ca gălbenușul dintr-un ou) se află o umplutură din pulbere de aluminiu, acid sulfuric și oxisulfat de titan. Dimensiunile umpluturii pot fi variate independent de carcasă. 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 și ea. Cireșe pe tort - cost redus de producție și ușurință de scalare.
Baterie cu ioni de aluminiu cu încărcare ultra-rapidă
Stanford a dezvoltat o baterie cu ioni de aluminiu care se încarcă complet în aproximativ un minut. În acest caz, bateria în sine are o oarecare flexibilitate. Principala problemă este că capacitatea specifică este de aproximativ jumătate din cea a bateriilor litiu-ion. Deși, având în vedere viteza de încărcare, acest lucru nu este atât de critic.
Baterie Alfa - două săptămâni pe apă
Dacă Fuji Pigment reușește să-și perfecționeze bateria Alfa, atunci vom asista la apariția purtătorilor de energie, a căror capacitate este de 40 de ori mai mare decât capacitatea litiu-ion. În plus, bateria este reîncărcabilă completarea cu apă, simplu sau sărat. Potrivit dezvoltatorilor, la o singură încărcare, Alfa va putea funcționa până la două săptămâni. Este posibil ca astfel de baterii să apară mai întâi pe vehiculele electrice. Imaginați-vă o benzinărie unde treceți să luați apă.Baterii care pot fi pliate ca hârtie
uBeam - încărcați prin 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 gadget 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. Ei au creat un prototip de smartphone care se încarcă pur și simplu din cauza zgomotelor externe, inclusiv a vocilor oamenilor.
StoreDot
Încărcătorul StoreDot a fost dezvoltat de un startup care a apărut de la Universitatea din Tel Aviv. Proba de laborator a reușit să încarce bateria Samsung Galaxy 4 în 30 de secunde. Se raportează că dispozitivul se bazează pe semiconductori organici fabricați din peptide. La sfârșitul anului 2017 ar trebui să iasă la vânzare o baterie de buzunar, capabilă să încarce smartphone-uri în cinci minute.
Panou solar transparent
Alcatel a dezvoltat un prototip de panou solar transparent care se potrivește peste partea de sus a ecranului, astfel încât telefonul să poată fi încărcat pur și simplu plasându-l la soare. Desigur, conceptul nu este perfect în ceea ce privește unghiurile de vizualizare și puterea de încărcare. Dar ideea este frumoasa.
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 geamul exterior și afișajul în sine. Adevărat, nu este clar dacă a venit la producție.
Etichete: Adăugați etichete
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.
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 rapide 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 COMANDA 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.