Аккумуляторы будущего
Продолжаю выполнять пожелания моих френдов из октябрьского СТОЛА ЗАКАЗОВ . Читаем вопрос trudnopisaka :
"Интересно было бы узнать про новые технологии аккумуляторов, которые готовят к серийному производству."
Ну конечно же критерий серийного производства несколько растяжимый, но давайте попробуем узнать, что сейчас перспективно.
Вот что придумали химики :
Напряжение ячейки в вольтах (по вертикали) и удельная ёмкость катода (мАч/г) новой батареи сразу после её изготовления (I), первого разряда (II) и первого заряда (III) (иллюстрация Hee Soo Kim et al./Nature Communications).
По своему энергетическому потенциалу батареи, основанные на сочетании магния и серы, способны обойти литиевые. Но до сих пор никто не мог заставить эти два вещества дружно работать в аккумуляторной ячейке. Теперь, с некоторыми оговорками, это удалось группе специалистов в США.
Учёные из тойотовского исследовательского института в Северной Америке (TRI-NA) попытались решить главную проблему, стоящую на пути создания магниево-серных батарей (Mg/S).
По информации Green Car Congress, для задействования магния в роли анода химикам до сих пор удавалось применять только нуклеофильные электролиты (смотрите "нуклеофильные и электрофильные реагенты" в БСЭ), что исключало работу в паре с данным металлом электрофильных катодов, таких как сера. Ведь указанные электролиты сразу выводили катод из строя, вступая в ненужные реакции.
Фактически для пары Mg/S до сих пор не существовало никакого приемлемого электролита, который был бы совместим с обоими элементами. А ведь такой аккумулятор очень привлекателен, поскольку его теоретическая плотность энергии - более 4000 Вт-ч/л.
Создать подходящий ненуклеофильный электролит авторам работы удалось в реакции гексаметилдисилазид хлорида магния и трихлорида алюминия. Получились кристаллические частицы [Mg2(μ-Cl)36THF]+, способствовавшие стабилизации и активности электролита.
Учёные собрали опытную батарейку размером с монетку, применив магниевый анод, сепаратор, катод из серы, смешанной с сажей и полимерным связующим, и новый электролит. Фактически получился первый перезаряжаемый аккумулятор типа Mg/S, хотя и не слишком долговечный.
Учёные пока не решили проблему постепенного растворения серы и образования полисульфидов. Тем не менее химики считают, что наконец-то показали электролит, способный «поженить» такие «ёмкие» материалы, как магний и сера в работоспособном устройстве.
(Детали эксперимента раскрывает статья в Nature Communications.)
Новый тип аккумуляторных батарей - литиево-полимерный (Li-polymer)
На самом деле литий-полимерные (полное название - литий-твердополимерные) аккумуляторы нельзя считать каким-либо откровением на рынке батарей - они всего лишь представляют собой усовершенствованный вариант Li-Ion-технологии. В их конструкции принципиально изменена лишь одна деталь - жидкий электролит заменен твердым материалом. В качестве химической основы электролита по-прежнему используются соли лития, только в данном случае они содержатся в специальной полимерной прокладке, помещенной между анодом и катодом. За счет отказа от жидкого электролита у Li-Pol-батарей появилось несколько дополнительных преимуществ. Во-первых, так как новые аккумуляторы не нуждаются в металлической оболочке, у них несколько повысилась плотность энергии (130-150 Вт/кг), а во-вторых, появилась возможность выпускать Li-Pol-батареи в корпусах практически произвольной формы, в отличие от Li-Ion, которые требуют либо цилиндрического, либо прямоугольного корпуса. Данная особенность позволяет не только полностью заполнять аккумулятором батарейный отсек, но и вообще переместить батарею в ранее недоступные места (например, в ноутбуке за матрицу дисплея - настолько тонкими они могут быть). Кроме того, Li-Pol-аккумуляторы существенно безопаснее литий-ионных, менее токсичны и при этом их себестоимость мало отличается от Li-Ion элементов питания. Так что у литий-полимерных батарей в ближайшее время есть все шансы вырваться на первое место по популярности среди аккумуляторов, и единственное, что может встать у них на пути, так это возможный запуск серийного производства серебряно-цинковых батарей, аккумуляторов на основе нанотрубок или топливных элементов.
Основные преимущества Li-polymer батарей:
- большая плотность энергии, т. е. примерно в три раза выше, чем у никелево-кадмиевого типа аккумулятора;
- очень малый саморазряд;
- малые габариты.
Недостатки литиево-полимерного типа аккумулятора:
- не может отдавать большие токи разряда;
- не любит низких температур.
Серебряно-цинковые
Первые серебряно-цинковые батареи были разработаны достаточно давно, и на данный момент они активно используются в военной и космической технике, а также часах, калькуляторах и другой маломощной электронике. Устройство серебряно-цинковых батарей выглядит следующим образом: анод состоит из цинка, электролит - из гидрооксида калия, а катод - из оксида серебра. Среди отличительных особенностей данных аккумуляторов можно выделить крайне высокую плотность энергии (для реальных образцов - 150-240 Вт/кг, а теоретически - до 425 Вт/кг), возможность отдавать в нагрузку огромные токи, плюс достаточно низкий саморазряд. Впрочем, с долговечностью и с многократными циклами перезарядки у них всегда были серьезные проблемы. Причиной скорого выхода батарей из строя в первую очередь было появление так называемых цинковых дендритов, приводящих впоследствии к короткому замыканию, а также все тот же электролиз воды, поэтому до недавнего времени данные аккумуляторы были непригодны для использования в ноутбуках, сотовых телефонах и прочих устройствах подобного типа. Правда, последние разработки заинтересованных компаний (в частности, Zinc Matrix Power) показали, что с серебряно-цинковыми батареями не все потеряно, и вскоре они смогут составить конкуренцию литиевым элементам. Также сторонники технологии отмечают то, что данные батареи безвредны для окружающей среды и абсолютно безопасны. А в свете последних неприятных событий вокруг литиевых батарей, у серебряно-цинковых аккумуляторов стало заметно больше шансов на успех.
Литий-нанофосфатные батареи А123
Элементы питания A123Systems - являются новым поколением литиево-ионных батарей. Новые батареи отличаются не только большой токоодачей, но и быстротой зарядки. Всего за 15 минут требуется, чтобы зарядить Ли-Фе батарею полностью. К тому же такие аккумуляторы допускают в 10 раз больше циклов зарядки-разрядки, чем обычные аккумуляторы (1000 циклов). Список достоинств можно продолжить: работа при минусовой температуре (до -30 гр.С), малый вес, сверхнизкий саморазряд (3% в год) и самое главное - безопасность (не горят, не взрываются). Аккумуляторы A123Systems LiFePo4 на сегодняшний день остаются наилучшим решением для электропитания страйкбольного привода.
Введение.
Элементы питания A123 - являются новым поколением литиево-ионных батарей. Данная технология была разработана и запатентована Масачуссетским Технологическим Институтом в 2001-м году, в основе которой лежит использование электродов нано-масштаба. В ноябре 2005 года А123System анонсировала новый высокомощный быстро-заряжающийся элемент питания, основанный на исследованиях лицензированных MIT. Первая партия элементов была выпущена в 1-м квартале 2006 года и использовалась для питания электроинструментов DeWalt, стартеров авиа-двигателей, гибридных автобусов и PHEV-конвертированных электромобилей.
Принцип действия
Новые батареи отличаются не только большой емкостью, но и быстротой зарядки. Всего за 15 минут требуется, чтобы зарядить их. К тому же такие аккумуляторы допускают в 10 раз больше циклов зарядки-разрядки, чем обычные модели. Идея нового аккумулятора заключается в активизации литиево-ионного обмена между электродами. С помощью наночастиц удалось развить обменную поверхность электродов и получить более интенсивный ионный поток. Чтобы исключить слишком cильное нагревание и возможный взрыв электродов, авторы разработки применили в катодах вместо лития/оксида кобальта литий/фосфат железа. Недостаточная электропроводность нового материала компенсируется введением наночастиц алюминия, марганца или титана.
Отличие от других батарей
Никель-кадмиевые и метал-гидридные батареи - это уже прошлый век. Многие производители уже отказываются от производства кадмиевых батарей (в частности Panasonic). Литий-полимерные хороши, но имеют существенные недостатки - прежде всего недостаточная прочность, капризность, склонность к возгоранию. Для радиоуправляемых моделей, например вертолёта, ЛиПо вполне уместны - там все части нежные, лёгкие и хрупкие. Но для электропневматического привода, ЛиПо недостаточно актуальны. Представьте, что в цевье/прикладе вы носите достаточно хрупкие и быстровоспламеняющиеся батареи. Повредить такую батарею в запарке боя или просто уронить при установке очень просто. Последствия это - утечка лития и возможное возгорание. Впоследствии такую батарею придется выкинуть, т.к. она не подлежит восстановлению. Многие из моих знакомых (включая себя) не используют полимеры по этим причинам. Но прогресс на месте не стоит и недавно другой тип литиевых аккумуляторов, известный, как ЛиФо, или литий-фосфатные, или LiFePO4. Силовые ЛиФо аккумуляторы относятся к литий-ионным аккумуляторам, но за счёт улучшенной технологии (модно называемой "нанофосфатная" ) достигли уровня практического применения в устройствах с большим токопотреблением, например, в некоторых "топовых" моделях электроинструмента. Не обошли вниманием эти аккумуляторы и авиамоделисты - опробовали ЛиФо на радиоуправляемых моделях самолётов и вертолётов и даже успели накопить ценный опыт эксплуатации ЛиФо в режимах быстрого разряда большим током.
Достоинства и недостатки:
Достоинства:
1. Прочные и безопасные в отличие от Li-Po.
2. Сверхбыстрый заряд (при токе 7А полный заряд за 15 мин !!!)
3. Очень большой ток отдачи 60А - рабочий режим; 132А - кратковременный режим (до 10-ти секунд)
4. Саморазряд 3% за 3 года
5. Работают на холоде (до -30 гр. С) без потери рабочих свойств
6. Наработка на отказ 1000 циклов (в трое больше чем у никелевых)
7. Элементы можно составлять последовательно / параллельно, как обычные NiCd или NiMH
Недостатки:
1. Требуют специального зарядного устройства (не совместимы с LiPo зарядниками)
2. Тяжелее, чем Li-Po
Изготовлены перспективные графеновые электроды для литий-воздушных батарей
Физики из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Принстонского университета (США) испытали перспективные графеновые электроды для литий-воздушных батарей.
Обычные батареи такого типа оснащены углеродным катодом, в порах которого запасается атмосферный кислород, играющий роль активного материала. При разряде катионы лития движутся с литиевого анода через электролит и вступают в реакцию с кислородом, образуя (в идеале) пероксид лития Li2O2, задерживающийся на катоде, а электроны идут с анода на катод через цепь нагрузки. Преимуществом литий-воздушных образцов перед традиционными литий-ионными считается бóльшая достижимая плотность энергии.
На характеристики литий-воздушных батарей влияет множество факторов: относительная влажность, парциальное давление кислорода, состав электролита, выбор катализатора и общей компоновки устройства. Необходимо также учитывать, что осаждающиеся на углеродном электроде продукты реакций (Li2O2) блокируют пути проникновения кислорода, ограничивая ёмкость. Воздушный электрод оптимальной конфигурации, таким образом, должен иметь и микроразмерные поры, которые обеспечивают свободное прохождение кислорода, и наноразмерные полости, создающие достаточную плотность участков для реакций Li-O2.
.
Схема функционализированного графенового листа с функциональными группами на обеих его сторонах и краях и дефектами решётки, которые становятся энергетически выгодными участками для захвата продуктов реакций (Li2O2). Дефекты выделены жёлтым и фиолетовым, атомы углерода - серым, кислорода - красным, водорода - белым. Справа показана идеальная пористая структура воздушного электрода. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nano Letters.)
Для создания новых электродов использовались функционализированные графеновые листы, полученные при термической обработке оксида графита. Начальное соотношение C/O у оксида примерно равно двум, но выдерживание при 1050 ˚C в течение всего 30 с позволяет увеличить его до ~15 за счёт выделения CO2. После ухода диоксида углерода листы приобретают дефекты решётки, которые способствуют образованию изолированных наноразмерных частиц Li2O2, не блокирующих доступ кислорода при работе батареи.
Подготовленные листы помещались в микроэмульсионный раствор, содержащий связующие вещества. После высыхания электрод приобретал необычную внутреннюю структуру, в которой выделяются неплотно упакованные яйцеобразные элементы. Между ними были проложены широкие ходы, а «скорлупа» элементов содержала многочисленные наноразмерные поры. Другими словами, конструкция электрода была приближена к оптимальной.
Графеновые электроды: сверху - только что изготовленные, снизу - после разряда. Стрелками отмечены частицы Li2O2. Размеры проставлены в микрометрах.
В экспериментах литий-воздушные батареи с графеновыми электродами (без катализатора) продемонстрировали рекордно высокую ёмкость в 15 000 мА•ч в пересчёте на грамм углерода. Такие результаты, отметим, были достигнуты в атмосфере чистого O2; на воздухе ёмкость заметно снижается, поскольку в работу устройства вмешивается вода. Авторы уже размышляют над конструкцией мембраны, которая гарантирует защиту от воды, но будет пропускать необходимый кислород.
«Мы также хотим сделать батарею полностью перезаряжаемой, - делится планами руководитель научной группы Цзи-Гуан Чжан (Ji-Guang Zhang). - Для этого понадобятся новый электролит и новый катализатор, и именно они нас сейчас и интересуют».
Разрядная кривая литий-воздушной батареи с графеновым электродом.
Полная версия отчёта опубликована в журнале Nano Letters; текст статьи можно загрузить отсюда.
Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.
Немцы изобрели фторид-ионную аккумуляторную батарею
В дополнение к целой армии электрохимических источников тока учёные разработали ещё один вариант. Его заявленные достоинства - меньшая пожароопасность и в десять раз большая удельная ёмкость, чем у литиево-ионных батарей.
Химики из технологического института Карлсруэ (KIT) предложили концепцию аккумуляторов на основе фторидов металлов и даже испытали несколько небольших лабораторных образцов.
В таких аккумуляторах за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. Анод и катод аккумулятора содержат металлы, которые в зависимости от направления тока (заряд или разряд) по очереди превращаются во фториды или восстанавливаются обратно до металлов.
«Поскольку один атом металла способен принять или отдать сразу несколько электронов, эта концепция позволяет достичь чрезвычайно высокой плотности энергии - до десяти раз выше, чем у обычных литиево-ионных батарей», - говорит один из авторов разработки доктор Максимилиан Фихтнер (Maximilian Fichtner).
Для проверки идеи немецкие исследователи создали несколько образцов таких батарей диаметром 7 миллиметров и толщиной 1 мм. Авторы изучили несколько материалов для электродов (медь и висмут в сочетании с углеродом, например), а электролит создали на основе лантана и бария.
Однако такой твёрдый электролит - это лишь промежуточный шаг. Данный состав, проводящий ионы фтора, хорошо работает только при высокой температуре. Потому химики ищут ему замену - жидкий электролит, который действовал бы при комнатной температуре.
(Подробности можно найти в пресс-релизе института и статье в Journal of Materials Chemistry.)
Аккумуляторы будущего
Что ждет рынок аккумуляторов в будущем, пока сложно прогнозировать. Литиевые батареи пока уверенно правят балом, и у них есть неплохой потенциал, благодаря литий-полимерным разработкам. Внедрение серебряно-цинковых элементов - весьма длительный и дорогостоящий процесс, и его целесообразность пока является дискуссионным вопросом. Технологии на основе топливных элементов и нанотрубок уже много лет восхваляются и описываются самым красивыми словами, однако когда дело доходит до практики, фактические продукты получаются либо слишком громоздкими, либо слишком дорогими, либо и то, и другое вместе взятое. Ясно лишь одно - в ближайшие годы данная отрасль будет продолжать активно развиваться, ведь популярность портативных устройств растет не по дням, а по часам.
Параллельно с ноутбуками, ориентированными на автономную работу, развивается направление настольных ноутов, в которых батарея скорее играет роль резервного ИБП. Недавно в Samsung выпустили подобный ноутбук и вовсе без батареи.
В NiCd-аккумуляторах также существует возможность электролиза. Чтобы в них не скапливался взрывоопасный водород, батареи оснащают микроскопическими клапанами.
В знаменитом институте MIT недавно была разработана уникальная технология производства литиевых аккумуляторов усилиями специально-обученных вирусов.
Несмотря на то, что топливный элемент внешне совершенно не похож на традиционную батарею, работает он по тем же принципам.
А кто еще подскажет какие нибудь перспективные направления ?