Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом. Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей. Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии. Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы. В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться. Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo

https://youtu.be/5APfpfyrRNg Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов. Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками

https://youtu.be/lzFzBpwl8aU В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике. Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы

https://youtu.be/6Ew3fPBs0HE В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками.

Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей.

А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа.

Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью.

Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км.

Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы

Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди).

Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов.

В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки

В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных.

Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях.

Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Читайте также:  Двуликий штурман. Обзор навигатора Navitel A731

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор

В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче.

Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество.

Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой

В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром

В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч).

В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие

В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества

Энергия кожи

Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество.

Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле.

Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху

uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии

Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч.

Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут.

Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Графеновый аккумулятор такого же веса как литий-ионный (при 200 Вт/ч на 1 кг веса) имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Такая батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке

Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде.

Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие.

Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.

Новые разработки графеновых аккумуляторов

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.

Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение.

В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км.  Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.

В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy.

Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно.

Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Графен — это слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке.

Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов

В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена.

Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки.

Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки.

В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.

Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств.

Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение.

По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.

2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов.

Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства.

Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.

Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Устройство графенового аккумулятора. Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента.

Читайте также:  Лучшие игры для компьютеров и консолей (октябрь 2018 г.)

Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый. Российские исследователи заменили анод оксидом магния.

Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания.

Финансовые проблемы реализации научных достижений

Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний.

Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет.

Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.

А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто.

Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн.

сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.

И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил.

Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями.

Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.

Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа.

Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.

Что дальше?

Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности.

Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе.

Каждая из стран имеет его в изобилии.

Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока.

Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Шведские исследователи из Chalmers смешивают графен и серу для новых литиево-серных батареи, теоретическая плотность энергии которых примерно в пять раз выше, чем у литий-ионных.

Новая идея исследователей — пористый губчатый аэрогель, изготовленный из восстановленного оксида графена, который действует как автономный электрод в элементе батареи и позволяет лучше и более эффективно использовать серу.

Удивительные свойства графена

Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света.

В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов.

Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.

Графен  – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.

Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.

Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами. 

В стэнфорде сделали литиево-ионную батарею, которая работает даже в огне

Множество учёных и исследователей работают над усовершенствованием литиево-ионных аккумуляторов. Ёмкость этих накопителей энергии всё ещё не достигла теоретического максимума, кроме того остаётся и опасность возгорания аккумуляторов в процессе использования. Учёные из Стэнфордского университета сделали открытие, которое поможет обезопасить эксплуатацию батарей на основе лития.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Как мы не раз сообщали, главной опасностью для современных литиево-ионных аккумуляторов остаётся риск короткого замыкания.

Это случается, когда на литийсодержащих электродах в процессе заряда и разряда начинают расти игольчатые кристаллы дендриты.

Особенно разросшийся кристалл может проткнуть разделительную плёнку в электролите (сепаратор) и вызвать лавинообразный рост тока с последующим возгоранием и даже взрывом.

Предотвратить рост дендритов может твёрдый электролит. Поэтому сейчас направление по разработке литиево-ионных аккумуляторов с твёрдым электролитом одно из самых популярных среди исследователей.

Учёные из Стэнфорда тоже пошли по этому пути. Более того, они попытались сделать состав электролита максимально устойчивым к возгоранию и преуспели в этом.

Твёрдые электролиты, ведь, тоже при определённых условиях могут воспламениться.

В статье, опубликованной в прошлом месяце в Nano Letters, команда учёных рассказала, как они создали новый «огнеупорный» твердотельный электролит (SSE) для использования в литий-ионных батареях.

Для этого в состав электролита был добавлен огнеупорный материал декабромдифенилэтан (DBDPE). Но не просто в виде наполнителя, а в сочетании с полиимидом, придающим электролитному слою механическую прочность. А прочность ему нужна.

Толщина твёрдого электролита составляет всего от 10 до 25 мкм. Кроме того, полиимид дёшев и имеет высокую температуру плавления.

Но тут же пришлось решать другую задачу. Полиимид не проводит ионы. И чтобы электролит справлялся со своей задачей, к DBDPE с полиимидом были добавлены ещё два разных полимера: полиэтиленоксид (PEO) и бистрифторметансульфонилимид лития (LiTFSI).

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Получившийся в итоге электролит позволил сделать литиево-ионный аккумулятор с хорошей удельной ёмкостью 131 мА·ч/г для рейтинга 1C (с разрядом номинальным током в течение одного часа) и с хорошим показателем цикличности на уровне 300 циклов с длительностью разряда 2 часа в цикле (с рейтингом С/2) при температуре 60 °C. Температура, отметим, немаленькая для литиево-ионного аккумулятора. Но больше всего учёные поразились, когда они подожгли аккумулятор. Он не только не взорвался, но продолжал ещё какое-то время работать и питать нагрузку в виде светодиода.

В дальнейшем учёные намерены работать над увеличением ёмкости аккумуляторов на новом электролите и улучшать другие его потребительские качества.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Стэнфордские ученые разработали новый аккумулятор, заряжающийся за минуту

Литий-ионные аккумуляторы стали настоящим бумом в современном мире. Они заменили тяжелые одноразовые щелочные батарейки и сейчас используются во всем, в чем только можно — начиная от наручных часов и заканчивая электроникой авиалайнеров.

Но так как прогресс в электронике не стоит на месте, то и эти литий-ионные батарейки постепенно начинают сталкиваться с постоянно возрастающими требованиями к энергическим источникам.

Единственным выходом из сложившейся ситуации может быть разработка новых типов батарей, которые смогут удовлетворить все наши требования к энергетическим носителям.

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Одним из таких новых типов батарей, например, являются новые алюминий-ионные аккумуляторы разработкой которых в настоящий момент занимаются ученые из Стэнфордского университета.

И если верить разработчикам, новые батарейки не только менее взрывоопасны по сравнению с литий-ионными, но и обладают способностью гораздо более быстрой зарядки.

Процесс зарядки таких батарей занимает чуть больше минуты. Одной минуты!

Но более важным фактом, связанным с новыми батарейками, по мнению самих стэнфордских ученых, является следующее:

«Наши новые аккумуляторы не подвержены воспламенению. Даже в том случае, если они становятся поврежденными», — говорит стэнфордский профессор химии Дай Хонг Йе.

В отличие от ранних разработок алюминий-ионных батарей, чей ресурс работы был ограничен примерно сотней циклов перезарядки, прототип батареи, разработанной в Стэнфордском университете, рассчитан более чем на 7500 циклов перезарядки без потери ее энергетической емкости. А это примерно в 7,5 раз больше, чем ресурс среднестатистической литий-ионной батареи.

По признаниям ученых, алюминий-ионные батареи в текущем состоянии далеки от совершенства. Они способны производить напряжение в 2 В, в отличие от литий-ионных батарей, способных обеспечивать напряжение в 3,6 В. Помимо этого, плотность алюминиевых ячеек может составлять всего 40 Ватт/кг, когда в случае литий-ионного носителя этот показатель может варьироваться от 100 до 206 Ватт/кг.

«Улучшение катодного материала может поспособствовать увеличению мощности и плотности хранимой энергии», — говорит Дай.

«Во всем остальном наша новая батарея имеет все, что нужно для батареки-мечты: недорогие электроды, высокий уровень безопасности, быстрая зарядка, гибкость и высокая продолжительность работы. И все это я вижу лишь в раннем прототипе. Перспективы действительно выглядят впечатляюще».

Читайте также:  Появится Nokia N900 с двумя ОС - Maemo и MeeGo?

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

Литий-серные аккумуляторы сделали более долговечными и емкими

ТАСС, 28 октября. Ученые из Японии разработали твердый электролит для литий-серных батарей. На его основе можно создавать аккумуляторы, вдвое превосходящие литий-ионные батареи по плотности хранения энергии. Описание разработки опубликовал научный журнал Advanced Functional Materials.

На эту тему

Ученые Стенфордского университета изобретают новые литий-серные аккумуляторы

«Мы показали, что твердые электролиты, хорошо сопротивляющиеся окислению, позволяют резко повысить емкость литий-серных батарей. Они позволят создать полностью твердотельные источники питания, способные запасать в себе по 400-500 ватт-час энергии на каждый килограмм массы», — пишут исследователи.

Основной источник питания для всех автономных электрических устройств, начиная с различных гаджетов и заканчивая межпланетными зондами и промышленными инструментами, – это литий-ионные аккумуляторы.

Несмотря на все плюсы, у них есть ряд недостатков, в том числе медленная скорость зарядки, взрывоопасность и низкая энергетическая емкость, ограничивающая производство и использование электромобилей.

Японские химики под руководством профессора Университета префекторы Осака Акитоси Хаяси уже много лет работает над созданием альтернативы для литий-ионных аккумуляторов. В основе их разработки лежат электроды с большим количеством атомов серы. Подобные батареи отличаются высокой емкостью, однако они выдерживают немного циклов перезарядки из-за миграций атомов серы.

По словам Хаяси и его коллег, этого можно избежать, если использовать не жидкий, а твердый электролит. Проблема заключалась в том, что все существующие твердые электролиты, совместимые с литий-серными батареями, снижали их мощность и плотность запасания энергии или же были сами по себе недолговечными.

Недавно ученые обошли эту проблему, создав твердый электролит на основе соединений лития, серы и йода. Как показали первые опыты, его применение значительно повысило емкость аккумуляторов и плотность запасания энергии, однако при этом данный материал оставался уязвимым для окисления.

Исследователи смогли исправить этот недостаток, добавив в электролит наночастицы из атомов углерода и различных солей лития. В результате окисление электролита резко замедлилось, что защитило его от дальнейшего разрушения при большом числе циклов заряда и разряда.

По словам ученых, это открытие позволит в будущем создавать литий-серные батареи, способные запасать в себе по 400-500 ватт-час энергии на каждый килограмм массы. Данное значение примерно вдвое выше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов, что делает новый тип батарей особенно привлекательным для промышленников.

Ученым случайно удалось получить стабильную литий-серную батарею, которая в будущем сможет полностью вытеснить литий-ионые

  • Итак, как это довольно часто бывает, очень важное открытие, которое в перспективе может сильно изменить рынок аккумуляторов, было совершено практически случайно.
  • В ходе очередной серии экспериментов ученым из Дрексельского университета (Филадельфия, США) удалось случайно получить стабильное состояние моноклинной γ-серы (гамма-серы) при нормальной комнатной температуре, чего ранее никогда не происходило.
  • Это дает возможность создавать литий-серные батареи, которые будут стабильны и, самое главное, обладать в три раза большей емкостью по сравнению с аналогичными современными литий-ионными батареями.

Источник изображения: Nature Communications ChemistryИсточник изображения: Nature Communications Chemistry

Новые литий-серные батареи и их перспективы

Сейчас аккумуляторы используются практически повсеместно. И во всех более мощных аккумуляторах остро нуждаются электромобили и смартфоны.

Так одним из наиболее перспективных направлений были литий-серные батареи, которые в теории могут за счет возможности запасать как минимум в три раза больше энергии, чем аналогичные литий-ионные батареи.

Вот только у них был очень серьезный недостаток. Они (литий-серные АКБ) просто катастрофически быстро теряли емкость буквально с каждым циклом заряд/разряд.

И именно поисками решения этой проблемы и занималась научная группа из Дрексельского университета.

В ходе многочисленных экспериментов в поисках стабильной формы γ-серы ученым удалось получить моноклинное состояние, которое показывает стабильность при температуре свыше 95 градусов по Цельсию, но оказалось, что при остывании ниже этого предела материал перешел в другую устойчивую форму – ромбическую.

Как заявляют ученые, за прошедшие сто лет всего несколько раз удавалось получать моноклинную форму, но она сохраняла свою стабильность не более получаса. А в этот раз ученым удалось создать ее в катоде.

СЭМ — изображения УНВ до осаждения. b РЭМ-изображения УНВ после осаждения серы, (врезка) увеличенное изображение хорошо осажденных частиц серы УНВ. c СЭМ-изображение поперечного сечения УНВ после осаждения, показывающее отложение серы по всему катоду.СЭМ — изображения УНВ до осаждения. b РЭМ-изображения УНВ после осаждения серы, (врезка) увеличенное изображение хорошо осажденных частиц серы УНВ. c СЭМ-изображение поперечного сечения УНВ после осаждения, показывающее отложение серы по всему катоду.

  1. И как сообщил Рахул Пай (один из авторов научной работы), полученная таким образом литий-серная батарея выдержала порядка одной тысячи циклов заряд/разряд и при этом не было сколь-нибудь существенной потери емкости, а химическая фаза осталась полностью стабильной.
  2. Ученые продолжили тестирование опытных образцов, и спустя 4000 циклов заряд/разряд (что примерно равно 10 годам активного использования), серный катод остался полностью стабильным и не показал признаки деградации, а емкость действительно оказалась выше в три раза по сравнению с литий-ионной аналогичных габаритов.
  3. На текущий момент ученые ведут работу над тем, чтобы до конца понять механизм получения такого серного катода, чтобы в конечном итоге вывести новую батарею на полноценное коммерческое использование.

Ну что ж, посмотрим, получится ли у ученых повторить свой успех и тем более поставить все это дело на поток. Ну а пока, если вам понравился материал, то не забудьте его оценить, а также подписаться на канал. Спасибо за ваше внимание!

Нановолокна кевлара сделали литий-серные батареи в разы эффективнее: будущее энергетики

Ahmet Emre, Kotov Lab

Прорывное исследование основано на естественной мембране, которая решает проблемы со стабильностью и предлагает аккумулятору «почти идеальную» конструкцию, позволяющую ей работать более тысячи циклов

«В научной среде есть ряд отчетов о литий-серных аккумуляторах, выдерживающих сотни циклов, но эта цифра достигается за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности, — рассказал руководитель исследовательской группы Николай Котов. — Задача в настоящее время состоит в том, чтобы создать батарею, которая увеличивает частоту с прежних 10 циклов до сотен и удовлетворяет множеству других требований, включая адекватную стоимость».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Приняв этот вызов, Котов и его коллеги обратились к арамидным нановолокнам, которые представляют собой наноразмерные версии кевларовых волокон, и превратили их в тщательно спланированные сети, имитирующие структуру клеточных мембран. Этот материал был пропитан электролитным гелем и предотвращает распространенную причину отказа батареи, которая заключается в образовании игольчатых наростов, называемых дендритами, со временем вырастающих на одном из электродов.

Схема принципа новой защиты частей аккумулятора от инородных частиц Ahmet Emre, Kotov Lab

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но преимущества новой мембраны не ограничиваются лишь этими факторами.

При циклировании литий-серной батареи мелкие частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития, попадают в металлический литий и снижают емкость устройства.

Команда решила эту проблему, интегрировав в искусственную мембрану крошечные биологические каналы и добавив электрический заряд, который отталкивает частицы, позволяя положительно заряженным ионам лития течь свободно.

По словам Котова, результатом этой так называемой ионной селективности является литий-серная батарея с «почти идеальной» конструкцией.

Он говорит, что устройство может похвастаться эффективностью, приближающейся к теоретическим пределам, а емкость в пять раз больше, чем у стандартной литий-ионной батареи.

В один прекрасный день это может привести к тому, что электромобили смогут проехать в пять раз больше без подзарядки.

Ученые ожидают, что в реальных условиях с технологией быстрой зарядки батарея будет работать около 1000 циклов, что аналогично 10-летнему сроку службы.

Также в пользу устройства работает тот факт, что сера является более распространенной и менее проблематичной в плане добычи, чем кобальт, используемый в литий-ионных батареях, в то время как арамидные волокна можно собирать из старых пуленепробиваемых жилетов, что делает новинку в целом более экологически чистым предложением.

Повышение живучести ультраемких батарей при помощи графена

Ученые из Stanford University (Университет в Стэндфорде) представили проект повышения «выностивости» литиево-серных аккумуляторов Емкость батарей уже достигла 350 Вт-час/кг, а в перспективе стремится к 600 Вт-час/кг.

Литиево-серные аккумуляторы

Впервые технология литиево-серных аккумуляторов была представлена американской компанией Sion Power в 2006г.

Опытный образец первой батареи имел размер 11х 35 х 55мм, вмещал 2,2 Ампер-часа энергии, что соответствовало напряжению 2,1 В.

Его отличительной особенностью был жидкий катод, содержащий серу, отделенную от электролита мембраной. При заряде и разряде батареи происходили неординарных электрохимические процессы.

Литиево-серные аккумуляторы значительно опережают самые мощные литиево-ионные, используемые в электромобилях. Удельная емкость вторых лежит в пределах 100-250 Вт-час/кг. При равном весе батарей пробег электрокаров может возрасти в 2-3 раза.

Недостатком литиево-серных батарей является то, что при их разрядке формируются полисульфиды, которые растворяются в электролите. В результате происходит быстрая потеря активной массы серы и падение емкости.

Существующие ранее экземпляры приходили в негодность уже после 60 циклов заряда-разряда. Несмотря на недостатки, в июле 2010г литиево-серные аккумуляторы от Sion Power, в комбинации с фотоэлектрическими панелями, позволили британскому самолету Zephyr поставить мировой рекорд и продержаться в небе в течение 14 дней.

Инновационные покрытия для частиц серы

Новый электрод для литиево-серных батарей, рассмотренный под микроскопом, выглядит как взбитая застывшая пена. Субмикронные частицы серы покрыты полиэтиленгликолем, удерживающим полисульфиды в ловушке. Сверху нанесены лепестки частично окисленного графена с вкрапленными наночастицами сажи.

Роль «короля» в технологии принадлежит графену. Его использование позволило решить сразу несколько проблем. Графен стал дополнительной защитой, препятствующей потере серы электродом. Графен плюс полиэтиленгликоль позволили создать буферный эластичный слой, дающий возможность микросфере серы изменять объем при заряде и разряде батареи. Графен плюс сажа повысили электропроводность вещества.

Катод, полученный при помощи описанных «хитростей», способен поддерживать удельную емкость 550-600 мА-час/грамм в течение 100 и более циклов. Однако изобретение еще не опробовано достаточно. Электроды, изготовленные для экспериментов, демонстрируют большой разброс параметров.

По истечению ста циклов функционирования лучшие из катодов потеряли всего 10-15% первоначальной емкости, тогда как худшим вариантом оказалась потеря 25%.

Несмотря на некоторые неудачи, новая технология изготовления литиево-серных аккумуляторов вплотную приблизила их к возможности массового производства и применения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector