Новые типы батарей: какие технологии изменят хранение энергии

Смартфоны, ноутбуки, электромобили, беспилотники и домашние системы накопления энергии зависят от аккумуляторов. Даже развитие солнечных и ветровых электростанций невозможно без устройств, способных сохранять выработанную энергию и отдавать её тогда, когда она действительно необходима.

Сегодня наиболее распространены литий-ионные аккумуляторы. Они сравнительно лёгкие, обладают высокой плотностью энергии и выдерживают множество циклов зарядки. Однако у этой технологии есть ограничения: постепенная потеря ёмкости, чувствительность к высокой температуре, риск перегрева и зависимость производства от определённых видов сырья.

Поэтому инженеры разрабатывают новые типы батарей, которые должны быть безопаснее, дешевле, долговечнее и эффективнее современных аккумуляторов. Некоторые технологии уже используются в серийных устройствах, другие проходят испытания, а третьи пока существуют преимущественно в лабораториях.

Чем батарея отличается от аккумулятора

В повседневной речи батареей часто называют любой компактный источник электричества. С технической точки зрения между устройствами существует различие.

Одноразовый гальванический элемент после разрядки обычно не предназначен для повторного использования. Аккумулятор работает за счёт обратимых химических реакций, поэтому его можно заряжать и разряжать многократно.

Аккумуляторная батарея состоит из нескольких соединённых элементов. Именно такие системы устанавливаются в электромобилях, ноутбуках, источниках бесперебойного питания и домашних накопителях энергии.

В этой статье слово «батарея» используется в широком значении — как обозначение различных систем электрохимического хранения энергии.

Почему литий-ионные аккумуляторы пока остаются основными

Принцип работы литий-ионного элемента основан на перемещении ионов лития между двумя электродами через электролит. Во время зарядки ионы движутся в одном направлении, а при подключении нагрузки возвращаются обратно, создавая электрический ток во внешней цепи.

Литий-ионная технология стала популярной благодаря удачному сочетанию характеристик:

• высокой плотности энергии;
• относительно небольшого веса;
• низкого саморазряда;
• возможности быстрой зарядки;
• большого количества рабочих циклов;
• отсутствия выраженного эффекта памяти.

Название «литий-ионный аккумулятор» объединяет несколько вариантов химического состава. Одни элементы рассчитаны на максимальную ёмкость, другие — на высокую мощность, безопасность или продолжительный срок службы.

Современные литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться. Поэтому новые технологии должны конкурировать не с батареями прошлого поколения, а с постоянно улучшающимися решениями.

Твердотельные аккумуляторы

В большинстве современных литий-ионных элементов используется жидкий или гелеобразный электролит. В твердотельном аккумуляторе его заменяет твёрдый материал, через который перемещаются ионы.

Теоретически такая конструкция позволяет повысить плотность энергии и уменьшить риск воспламенения электролита. Она также может открыть путь к применению металлического лития в качестве анода, благодаря чему аккумулятор способен хранить больше энергии при сопоставимых размерах.

Твердотельные батареи рассматриваются как перспективное решение для электромобилей. Увеличение плотности энергии позволит либо повысить запас хода, либо уменьшить массу аккумуляторного блока.

Однако создать надёжный твердотельный элемент сложнее, чем может показаться. Между твёрдыми слоями необходимо обеспечить хороший контакт. Материалы расширяются и сжимаются во время работы, а на границах между ними может увеличиваться сопротивление.

Производителям также нужно решить вопросы стоимости, долговечности, работы при разных температурах и массового выпуска. Поэтому заявления об экспериментальных образцах ещё не означают, что соответствующие батареи готовы к широкому применению.

Натрий-ионные аккумуляторы

Принцип действия натрий-ионного аккумулятора похож на работу литий-ионного. Основное отличие состоит в том, что переносчиками заряда служат ионы натрия.

Натрий широко распространён и может быть получен из доступного сырья. Это делает технологию привлекательной для крупномасштабного хранения энергии и устройств, где минимальный вес не является главным требованием.

Главный недостаток связан с тем, что ионы натрия крупнее и тяжелее ионов лития. Поэтому натрий-ионные аккумуляторы обычно уступают лучшим литиевым элементам по плотности энергии. При одинаковой ёмкости батарея может получиться более тяжёлой или крупной.

Зато технология может оказаться полезной в других областях:

• стационарных накопителях энергии;
• недорогих городских электромобилях;
• системах резервного питания;
• электрическом транспорте с небольшим запасом хода;
• хранении энергии солнечных и ветровых электростанций.

Натрий-ионные аккумуляторы не обязательно полностью заменят литиевые. Вероятнее, разные технологии займут собственные области применения.

Литий-железо-фосфатные батареи

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы, обозначаемые как LFP, тоже относятся к литий-ионному семейству. Они уже применяются в электромобилях, накопителях энергии и другой технике.

По плотности энергии такие элементы могут уступать некоторым аккумуляторам с никелем и кобальтом, однако обладают важными преимуществами:

• высокой термической устойчивостью;
• длительным сроком службы;
• большим количеством циклов;
• отсутствием никеля и кобальта в катоде;
• сравнительно устойчивой работой при регулярной зарядке.

LFP-технология показывает, что развитие аккумуляторов происходит не только благодаря появлению совершенно новой химии. Иногда значительного результата удаётся добиться правильным выбором уже известных материалов и улучшением конструкции элемента.

Литий-серные аккумуляторы

В литий-серных батареях одним из ключевых материалов является сера. Она доступна, относительно легка и теоретически позволяет создавать элементы с высокой удельной энергией.

Такие аккумуляторы особенно интересны для авиации, беспилотников и другой техники, где масса источника питания имеет решающее значение.

Но на пути к массовому производству остаются серьёзные препятствия. Во время химических реакций могут образовываться соединения, которые перемещаются между электродами и ухудшают характеристики элемента. Кроме того, изменение объёма материалов во время зарядки и разрядки способно ускорять разрушение структуры.

Инженеры пытаются удерживать активные вещества внутри электродов, совершенствуют электролиты и создают защитные покрытия. Литий-серная технология обладает большим потенциалом, но её практическая ценность будет зависеть от срока службы, безопасности и стоимости производства.

Что называют графеновыми аккумуляторами

В рекламе иногда создаётся впечатление, что графеновая батарея представляет собой полностью новый вид аккумулятора. В действительности графен чаще используется как дополнительный материал внутри уже существующей электрохимической системы.

Графен представляет собой чрезвычайно тонкий слой атомов углерода. Он обладает высокой электрической проводимостью и может улучшать перенос заряда и распределение тепла.

Добавление графеновых материалов потенциально помогает:

• уменьшить внутреннее сопротивление;
• повысить допустимую мощность;
• ускорить зарядку;
• улучшить отвод тепла;
• укрепить структуру электрода.

Однако присутствие графена не отменяет свойства основной химической системы. Реальные характеристики зависят от состава электродов, электролита, конструкции элемента и системы управления.

Поэтому надпись «графеновый аккумулятор» сама по себе не гарантирует огромную ёмкость или мгновенную зарядку. Важно смотреть на измеряемые характеристики готового устройства.

Проточные аккумуляторы

В обычной батарее активные материалы находятся внутри компактного элемента. В проточной системе жидкие электролиты хранятся в отдельных резервуарах и прокачиваются через электрохимическую ячейку.

Ёмкость такой установки можно увеличивать за счёт размера резервуаров, а мощность — за счёт количества и площади рабочих ячеек. Это делает проточные аккумуляторы интересными для стационарного хранения энергии.

Их можно использовать рядом с солнечными и ветровыми электростанциями. Когда производство превышает потребление, система накапливает энергию. Позже она возвращает её в сеть.

Проточные батареи слишком велики для смартфона или обычного легкового автомобиля. Зато для стационарных объектов их размеры могут быть менее важны, чем долговечность, пожарная безопасность и возможность многократного глубокого разряда.

Металл-воздушные батареи

В металл-воздушных элементах один из участников химической реакции поступает из окружающего воздуха. Благодаря этому внутри батареи не требуется хранить все активные компоненты, что теоретически позволяет повысить удельную энергию.

Существуют системы на основе цинка, алюминия, железа, лития и других металлов. Некоторые одноразовые воздушно-цинковые элементы давно применяются, например, в компактных устройствах.

Создание перезаряжаемой металл-воздушной батареи значительно сложнее. Инженерам необходимо обеспечить обратимость химических процессов, защитить материалы от нежелательных реакций и сохранить характеристики после множества циклов.

Отдельные металл-воздушные системы рассматриваются как возможное решение для продолжительного хранения энергии, когда электричество нужно сохранять не несколько часов, а значительно дольше.

Структурные аккумуляторы

Обычная батарея увеличивает массу устройства или автомобиля, но не выполняет несущих функций. Структурный аккумулятор должен одновременно хранить энергию и служить частью корпуса.

Например, элементы кузова электромобиля, крыло беспилотника или панель электронного устройства теоретически могут стать частью накопителя энергии. Это позволит эффективнее использовать пространство и уменьшить общую массу конструкции.

Сложность заключается в сочетании разных требований. Материал должен быть прочным, выдерживать удары и вибрацию, проводить ионы, сохранять электрические характеристики и оставаться безопасным при повреждении.

Структурные батареи пока нельзя считать универсальной заменой обычных аккумуляторов. Но в будущем они могут повлиять на конструкцию транспорта, авиационной техники и портативных устройств.

Почему невозможно выбрать одну лучшую батарею

Понятие «лучшая батарея» не имеет смысла без указания задачи. Для смартфона важны небольшие размеры и высокая плотность энергии. Для электромобиля необходимы безопасность, быстрая зарядка, мощность и длительный срок службы.

Стационарный накопитель может быть тяжёлым и занимать много места. Для него важнее стоимость одного цикла, ремонтопригодность и возможность хранить большое количество энергии.

Батареи сравнивают по нескольким характеристикам:

• удельной энергии — сколько энергии хранится на единицу массы;
• плотности энергии — сколько энергии помещается в определённом объёме;
• мощности — насколько быстро батарея может отдавать энергию;
• скорости зарядки;
• количеству рабочих циклов;
• допустимой температуре;
• уровню безопасности;
• стоимости материалов и производства;
• возможности переработки.

Улучшение одного показателя иногда ухудшает другой. Например, ускоренная зарядка может повысить нагрев и ускорить старение элемента. Поэтому разработка аккумуляторов всегда представляет собой поиск компромисса.

От чего зависит скорость зарядки

Недостаточно создать элемент, способный принимать большой ток. Для быстрой зарядки необходима целая система: подходящее зарядное устройство, силовая электроника, эффективное охлаждение и безопасный алгоритм управления.

При слишком быстром движении ионов внутри элемента могут возникать нежелательные процессы. Это приводит к ускоренной деградации и в некоторых случаях повышает риск внутреннего короткого замыкания.

Скорость также зависит от температуры и текущего уровня заряда. Именно поэтому электромобиль или смартфон обычно заряжается быстрее в начале, а ближе к максимальной ёмкости мощность постепенно снижается.

Фраза «зарядка за несколько минут» может относиться не к полному диапазону от нуля до ста процентов, а только к определённой части ёмкости и работе в специально подобранных условиях.

Что влияет на срок службы аккумулятора

Каждый цикл зарядки и разрядки постепенно изменяет внутреннюю структуру элемента. На скорость старения влияют химический состав, температура, сила тока и глубина разряда.

Особенно вредны длительный перегрев и эксплуатация за пределами допустимых режимов. Поэтому современные аккумуляторные блоки оснащаются электронной системой управления. Она контролирует напряжение, ток и температуру отдельных элементов.

Для увеличения срока службы производители могут ограничивать доступную пользователю ёмкость. Небольшая часть заряда остаётся скрытым резервом, благодаря которому батарея не работает постоянно на предельных значениях.

Количество циклов нельзя оценивать отдельно от условий испытания. Один аккумулятор может сохранять работоспособность после тысяч неглубоких циклов, но заметно быстрее терять ёмкость при постоянном полном разряде и высокой температуре.

Новые батареи и возобновляемая энергетика

Солнечные панели производят энергию только при достаточном освещении, а мощность ветровых установок зависит от погоды. Потребление электричества при этом меняется по собственному графику.

Накопители помогают разделить моменты производства и использования энергии. Они принимают излишки электричества, а затем отдают их при увеличении спроса или уменьшении выработки.

Для таких систем не всегда требуются самые лёгкие аккумуляторы. Гораздо важнее:

• низкая стоимость хранения;
• продолжительный срок службы;
• безопасность;
• возможность многократного глубокого разряда;
• доступность сырья;
• небольшая потеря энергии;
• простое обслуживание.

Поэтому в энергетике одновременно могут применяться литий-ионные, натрий-ионные, проточные и другие типы накопителей. Выбор зависит от необходимой мощности и продолжительности хранения.

Безопасность начинается не только с химического состава

Даже перспективный материал не делает батарею полностью безопасной. Важны качество производства, конструкция корпуса, система охлаждения, защита от короткого замыкания и программное управление.

Аккумуляторный блок состоит из множества компонентов. Неисправность датчика, механическое повреждение или производственный дефект способны повлиять на работу всей системы.

Особое значение имеет предотвращение теплового разгона — процесса, при котором повышение температуры ускоряет внутренние реакции, а они вызывают дальнейший нагрев.

Производители разделяют элементы защитными материалами, устанавливают предохранители и создают каналы для отвода тепла. В крупных аккумуляторных системах дополнительно применяются датчики дыма, системы пожаротушения и постоянный контроль состояния каждой части блока.

Можно ли полностью переработать старые батареи

Отработанные аккумуляторы содержат материалы, которые можно возвращать в производство. Переработка позволяет извлекать литий, никель, кобальт, медь и другие компоненты.

Однако эффективность процесса зависит от типа батареи, её конструкции и применяемой технологии. Некоторые материалы экономически выгоднее извлекать, чем другие.

Дополнительную сложность создаёт большое разнообразие форматов и химических составов. Аккумулятор сначала необходимо безопасно разрядить, разобрать и разделить на компоненты.

Развитие переработки становится важной частью аккумуляторной промышленности. Чем больше электромобилей и стационарных накопителей появляется в мире, тем больше батарей потребуется принимать после окончания их срока службы.

Перед переработкой некоторые автомобильные аккумуляторы могут использоваться повторно в менее требовательных системах. Блок, потерявший часть первоначальной ёмкости, уже не всегда подходит для автомобиля, но иногда способен ещё некоторое время работать как стационарный накопитель.

Когда появятся батареи нового поколения

Переход от лабораторного образца к массовому производству занимает годы. Аккумулятор должен подтвердить безопасность, долговечность и стабильность характеристик в разных условиях.

Затем требуется построить производственные линии, наладить поставки материалов и снизить количество дефектов. Даже успешная технология может оказаться слишком дорогой для массового рынка.

Поэтому не следует ожидать, что один новый тип батареи внезапно вытеснит все существующие решения. Вероятнее всего, рынок будет состоять из множества технологий:

• улучшенные литий-ионные элементы продолжат использоваться в электронике и транспорте;
• LFP-батареи сохранят позиции там, где важны безопасность и долговечность;
• натрий-ионные системы займут часть недорогого транспорта и стационарного хранения;
• твердотельные аккумуляторы могут появиться в устройствах с высокими требованиями к плотности энергии;
• проточные и металл-воздушные системы будут развиваться для энергетической инфраструктуры;
• структурные батареи постепенно изменят конструкцию отдельных видов техники.

Будущее хранения энергии связано не с поиском единственной идеальной батареи, а с созданием разных решений для конкретных задач. Чем точнее технология соответствует условиям эксплуатации, тем эффективнее, безопаснее и доступнее становится устройство.