Учёные нашли способ увеличить ёмкость аккумуляторов с помощью сурьмы: как это работает и есть ли альтернативы

Группа исследователей из Цюриха и США попробовала улучшить литий-ионные аккумуляторы, пока другие ищут способы отказаться от нынешних технологий в пользу водорода и других способов хранения энергии.

Литий-ионный аккумулятор — один из ключевых элементов современной электроники, который обладает множеством недостатков: вещества в составе ядовиты и воспламеняемы, а батареи раздуваются, разряжаются на морозе и со временем теряют ёмкость.

При этом принципиально изменить работу литиевых аккумуляторов нельзя из-за химических и физических особенностей — поэтому учёные, стартапы и крупные компании ищут способы переизобрести их или перейти на полностью новые конструкциии.

Эксперименты исследователей из высшей технической школы Цюриха и Ок-Риджской национальной лаборатории в США в июне 2020 года показали, что сурьма может сделать батареи гораздо более ёмкими без ущерба для срока службы.

Но кроме попыток улучшить литий-ионные батареи у инженеров есть и другие варианты — например, постепенно переходить на графен или развивать технологии водородных топливных ячеек.

Большинство современных электронных устройств работают на литий-ионных аккумуляторах в том числе, благодаря их эффективности и универсальности: производителю достаточно изменить размер и количество ячеек батереи в зависимости от предназначения.

Аккумуляторы — одно из основных направлений для развития устойчивой энергетики, отмечали учёные технического университета Цюриха.

По их мнению, быстрый рост солнечной и других возобновляемых источников энергии потребует эффективных технологий хранения энергии, а производство литий-ионных аккумуляторов увеличится — инвестбанк Berenverg оценивал рост производства с 68 ГВт•ч в 2016 году до 1165 ГВт•ч к 2026 году.

Во многом спрос на литиевые аккумуляторы вырос благодаря переходу автопроизводителей к гибридным или электрическим автомобилям. При этом машины требуют гораздо более мощных батарей (и их количество), чем другая электроника.

Производство аккумуляторов растёт и удешевляется: стоимость хранения 1 кВт•ч c 2010 по 2018 год упала с $1160 до $176. Но из-за постоянно растущих требований к мощностям и скорости заряда и разряда возникает проблема со сроком службы батареи и её габаритами — по физическим и химическим причинам.

Литий-ионные аккумуляторы вырабатывают электричество, перемещая ионы лития между двумя электродами: — катодом и анодом.

Чем больше поток ионов, тем выше и ёмкость батареи, но просто так увеличивать его нельзя. В процессе заряда-разряда анод разбухает и сжимается: чем больше поток ионов, тем меньше циклов заряда-разряда выдерживает батарея, также её может замкнуть, пишет New Atlas.

Чтобы увеличить мощность, можно увеличить габариты аккумулятора — но от этого пострадают размеры устройств.

При этом кардинально изменить принцип работы литиевых аккумуляторов нельзя: литий — металл с лучшими характеристиками, отмечает Toshiba. Поэтому производители и учёные вынуждены экспериментировать с отдельными материалами для точечного улучшения батарей.

Один из потенциально удачных экспериментов — поиск материалов, способных защитить анод от разрушения.

Чтобы решить проблему c разрушением анода при увеличении ёмкости батареи, исследователи MIT и Университета Цинхуа разрабатывали электрод из наночастиц с полой оболочкой из диоксида титана и наполнителем, который меняет размер, не затрагивая оболочку.

В среднем проект втрое увеличивал ёмкость аккумуляторов одного размера, которые заряжались за 6 минут и меньше деградировали. Но изготовление электрода из искусственных элементов было сложным и дорогостоящим, отмечает New Atlas.

Теперь же исследовательская группа учёных из США и Швейцарии обнаружила, что покрытые оксидом микрочастицы сурьмы самопроизвольно образуют полые структуры в течение цикла заряда-разряда батареи и не меняют размер.

Сурьма — ядовитый полуметалл, который применяется на производстве диодов и инфракрасных детекторов и в свинцовых сплавах.

При поступлении ионов оксидный слой позволяет оболочке анода при необходимости расширяться, а при удалении ионов создаёт пустоты, а не сжимается — это позволяет увеличить поток ионов без повреждения анодов.

Подобное свойство проявляется в нанокристаллах, диаметр которых менее 30 нм. Открытие было неожиданным, так как эксперименты на более крупных частицах были неудачными: они сжимались и разжимались, а не создавали полую структуру.

Ученые наблюдали за зарядом и разрядом батареи в масштабе наночастиц с помощью мощного электронного микроскопа. Так они провели более точные эксперименты и поняли, как ведут себя различные материалы.

Также кристаллы сурьмы можно использовать и в натрий-ионных и калий-ионных аккумуляторах, но для этого нужно провести гораздо больше тестов, отмечают исследователи.

Авторы провели испытания сурьмы на батареях с небольшим объёмом. Теперь команда планирует подобрать максимально дешёвый подходящий материал и провести исследование на батареях покрупнее, чтобы начать работу над коммерческими моделями.

К похожим результатам по увеличению ёмкости батарей пришла группа российских, израильских и австралийских ученых — они использовали оксид графена и сульфид сурьмы для получения анода калий-ионного аккумулятора.

Так как батареи на основе лития улучшаются медленно и тяжело, учёные и стартапы начали эксперименты по модификации или замене литий-ионных аккумуляторов с помощью новых технологий.

Графен считается одним из наиболее перспективных материалов в электронике за счет высокой теплопроводности, подвижности электронов и экологичности. В 2010 году российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за изучение свойств графена.

Графеновые аккумуляторы за счет повышенной активности заряженных частиц могут быть большей ёмкости, чем литиевые. Например, удельная ёмкость литий-ионного аккумулятора около 200 Вт•ч на 1 кг веса, у графенового аккумулятора такого же веса —1000 Вт•ч, пишет «Наука и техника».

С помощью графена можно улучшить ёмкость и скорость заряда литий-ионных батарей. Например, российские учёные из НТИ и МГУ заменили графит, который используется в качестве анода, на графен (сочетание кремния и графена), что увеличивает объём аккумулятора для городского транспорта на 20%.

С 2017 года над графеновым аккумулятором для смартфонов работает Samsung: инженеры смогли с помощью графеновых элементов в катоде и аноде увеличить ёмкость литий-ионных батарей на 45%, а скорость зарядки в пять раз.

В январе 2020 года стартап Real Graphene на CES 2020 представил графеновый аккумулятор на основе литий-ионного. Инженеры добавили в обычный аккумулятор графеновый слой и смешали литий с графеном.

В результате время зарядки аккумулятора на 3000 мАч (например, в iPhone 11 3110 мАч) сократилось до 20 минут на зарядке мощностью 60 Вт, а срок жизни вырос с 300–500 до 1500 циклов.

Версия устройства на 10 тысяч мАч стоит $85, блок питания на 100 Вт — $15.

Одна из основных проблем графена — его искусственное синтезирование приводит к высокой стоимости производства : $67-200 тысяч за тонну чистого материала. Поэтому исследователи стремятся найти новые способы его добычи: например, с помощью экстракта коры эвкалипта или нагревом проводящих материалов из мусора.

Впрочем, цена на графен быстро падает по мере развития технологии и производства: в 2010 году стоимость графена размером с почтовую марку составляла десятки тысяч долларов.

В декабре 2019 года исследовательское подразделение IBM рассказало о разработке батареи нового типа, материалы для которой получают из морской воды.

Технология не предполагает наличие кобальта и никеля — тяжёлых металлов, которые используются в литий-ионных аккумуляторах, но их сложно и дорого добывать.

Компания заявляет, что новая технология на базе трёх запатентованных материалов (конкретно их IBM не называет) может превзойти существующие аккумуляторы по стоимости, мощности, энергоэффективности и времени заряда. Она менее огнеопасна, а батареи можно будет использовать в «умных» энергосистемах, самолётах и электромобилях.

Для разработки и производства аккумулятора IBM заключила партнёрство с Mercedes-Benz и производителями батарей Central Glass и Sidus. Первые коммерческие продукты появятся к 2022 году, заявляют сотрудники подразделения IBM Research.

Промышленные и производственные компании инвестируют в водородное топливо, чтобы сократить парниковые газы от грузового транспорта, пишет Bloomberg.

Водородные грузовики используют топливо для работы двигателя или зарядки аккумулятора: в результате процесса преобразования водорода в энергию производит воду, а не выбрасывает парниковые газы, как двигатели внутреннего сгорания.

По отчёту аналитической компании E4tech, поставки водородных топливных элементов в 2019 году выросли более, чем на 40% по сравнению с 2018 годом — 1100 мВт вместо 806 мВт годом ранее.

Основные поставщики водородных элементов — Toyota и Hyundai.

Один из успешных стартапов по производству грузовиков с электродвигателем на водороде — американская Nikola Motors. В июне 2020 года компания провела IPO при капитализации в $12 млрд.

К 2024 году она планирует выпустить 12 тысяч грузовиков на водороде и создать сеть заправочных станций. В феврале 2020 года Nikola запустила производство собственного пикапа Badger с запасом хода в 1000 км. Первые автомобили поступят в продажу до 2022 года.

Пока водородный транспорт уступает электротранспорту на литий-ионных батареях. В 2019 году было выпущено около 15 300 водородных топливных элементов для транспорта, тогда как «обычных» электромашин было продано 1,5 млн, пишет Bloomberg.

Тем не менее, топливные элементы могут в будущем заменить литиевые батареи — в коммерческих транспортных средствах, например, автобусах и грузовиках/

Одним из новых игроков на рынке топливных элементов в 2019 году стала немецкая Bosch. Компания объединилась с производителем батарей для водородных элементов PowerCell для разработки топливных элементов для грузовых и легковых автомобилей и запустит производство к 2022 году.

Bosch считает, что это направление в ближайшие несколько лет будет стоить «миллиарды долларов», а к 2030 году около 20% электроавтомобилей будут работать на водороде.

Австралийский стартап Climate Change Technologies разработал термобатарею TED для серийного производства — она хранит в 6 раз больше энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, способна работать не менее 20 лет и при этом дешевле на 20–40%.

Устройство представляет собой модульный накопитель, который принимает электричество из любых источников: ТЭС, солнечных и ветровых установок, топлива или энергосетей, и хранит в форме скрытого тепла. При необходимости тепловой двигатель установки генерирует энергию.

Стандартный модуль рассчитан на 1,2 МВт•ч — он может одновременно запитать около 120 российских квартир при средней выделенной мощности 10 кВт на каждую. При необходимости TED масштабируется до сотен мегаватт. Если произойдёт блэкаут, модуль будет активным около двух дней.

Характеристики и ёмкость термобатареи не меняются после 3000 циклов заряда-разряда. Кроме того, устройство можно отправить на переработку, когда оно сломается.

Основатели заявляют, что TED обеспечит электричеством жителей труднодоступных районов в случае стихийных бедствий или в зоне землетрясений. В будущем компания планирует планирует запустить паромы на электротяге и уменьшить размеры батареи, чтобы они помещались в корпус электромашины.

#аккумуляторы