Уся техніка скоро зміниться: топ-6 пристроїв для зберігання енергії замість літієвих батарей

4 декабря 2024 16:30

У цій статті Фокус розглядає технології, які могли б замінити літій-іонні акумулятори та розповідає про те, як працюють сучасні альтернативні батареї.

Від смартфонів до електромобілів, акумулятори живлять найважливіші пристрої в нашому житті. І хоча самі батареї не є якоюсь новою технологією, літій-іонні (Li-on), які живлять більшість електроприладів, стали популярними лише кілька десятиліть тому. Але щойно світ перейшов на поновлювані та стійкі джерела енергії, як-от вітер і сонце, останніми роками також з'явилися аналогічні розробки у сфері акумуляторних технологій.

Як працює літій-іонний акумулятор

Перш ніж розглянемо, як працюють конкуруючі технології, варто згадати про те, як функціонує літій-іонна батарея (Li-on), що перезаряджається, і те, чому вона не є ідеальною для сучасної техніки.

Кожна батарея складається з катода (позитивного електрода), анода (негативного електрода) та електролітного середовища. Коли розряджається заряджена літій-іонна батарея, позитивно заряджені іони літію переміщаються від анода до катода. Це також викликає потік електронів, який може використовуватися для живлення електронних пристроїв. А коли вона заряджається, той самий процес відбувається у зворотному порядку.

Таким чином, отримуємо цикл, який дає змогу заряджати і розряджати літій-іонний акумулятор сотні разів. Але це не означає, що технологія ідеальна, пише androidauthority.com.

Чому Li-on такий проблематичний

У Li-on акумуляторів є низка недоліків, які вплинули на все: від виробництва смартфонів до життєздатності електромобілів. Ось деякі з них:

Безпека: літій — високореактивний і легкозаймистий метал. Li-on акумулятор необхідно зберігати при певній температурі і в умовах, які не допускають перезарядки або коротких замикань. В іншому разі ці акумулятори мають тенденцію до займання або навіть вибуху через ланцюгову реакцію, відому як тепловий розгін.
Дефіцит: літій є ключовим компонентом Li-on батарей, але на планеті його обмежена кількість. Ба більше, більшість запасів літію розташовані далеко від виробничих центрів.
Стійкість: Li-on акумулятори вимагають видобутку таких металів, як літій, кобальт і нікель. Методи їх видобутку негативно впливають на навколишнє середовище. Ба більше, велика кількість цих ресурсів знаходиться в країнах, що розвиваються, таких як Демократична Республіка Конго. У цих країнах ще не встановлені етичні методи видобутку, а це означає, що виробництво літію та інших металів провокує величезну кількість викидів парникових газів.
Довговічність: як відомо, акумулятори з часом деградують. Більшість виробників смартфонів гарантують продуктивність батарей тільки на 800-1000 циклів зарядки. Це приблизно одна зарядка на день протягом трьох років, тому після закінчення цього терміну потрібно або замінити телефон, або встановити нову батарею. Це пов'язано з тим, що літій-іонні акумулятори, як правило, з часом зазнають постійних змін у своєму складі. Різні хімічні та фізичні навантаження зменшують кількість іонів літію, і знижують здатність батареї утримувати заряд.

Найкращі альтернативи літій-іонним батареям

З огляду на всі перераховані вище проблеми, не повинно викликати подиву те, що практично всі великі технологічні компанії намагаються знайти альтернативні технології. Хоча багато з цих технологій все ще перебувають у зародковому стані, кілька з них можуть стати основою для електромобілів та іншої побутової електроніки протягом наступних 10-20 років. Тож, не гаючи часу, ось короткий список найкращих альтернатив літій-іонним акумуляторам і того, як вони покращують наявну технологію акумуляторів.

Натрій-іонні акумулятори

Почнемо з технології акумуляторів, яка не надто сильно відрізняється від знайомої базової лінії Li-on. У натрій-іонних аналогах іони літію замінені на іони натрію — вони-то і використовуються як носії заряду. Ця єдина зміна має великий вплив на виробництво акумуляторів, оскільки натрій набагато поширеніший, ніж літій. Фактично, можна використовувати сіль з океанічних вод для вилучення натрію, і робити це в будь-якій точці світу. Це також може знизити вартість виробництва батарей, оскільки не доведеться турбуватися про зберігання і транспортування потенційно небезпечного матеріалу, такого як літій.

Однак натрій-іонні акумулятори теж не ідеальні. Їхні іони фізично більші за літій, що означає меншу щільність енергії. Це призводить до меншого запасу ходу для електромобілів і скорочення часу роботи смартфонів. Проте, інші переваги натрій-іонних пристроїв заслуговують на подальше вивчення і опрацювання.

Літій-сірчані акумулятори

Літій-іонний акумулятор (Li-S) використовує кобальт на аноді, який, як виявилося, досить рідко зустрічається в природі. Цю проблему можна вирішити, використовуючи сірку як катодний матеріал. Крім заміни кобальту, Li-S акумулятори пропонують кілька переваг, а саме вищу щільність енергії і нижчі виробничі витрати.

Найбільша проблема з літій-сірчаними батареями наразі пов'язана з їхньою швидкою швидкістю деградації. Тому, хоча інженери і створили літак на сонячній енергії, що використовує Li-S акумулятор ще 2008 року, дослідження все ще ведуться з метою зробити цю технологію життєздатною для повсякденної електроніки.

Твердотільні акумулятори

Літій-іонні акумулятори використовують рідке електролітне середовище, яке дозволяє іонам переміщатися між електродами. Електроліт, як правило, являє собою органічну сполуку, яка може спалахнути під час перегріву або перезарядки. Тому, щоб знизити цей ризик, дослідники розробили альтернативу у вигляді твердотільних батарей. Вони використовують твердий неорганічний електроліт, який може витримувати суворі умови і різкі перепади температур.

Крім нижчого ризику загоряння, твердотільні аналоги також можуть утримувати більше енергії порівняно з їхніми літій-іонними. Велика провідність твердого електроліту призводить до більш швидкого часу зарядки, тобто до кращої ємності і швидкості зарядки від пристроїв, які переходять на цю технологію.

Багато виробників електромобілів виявляють великий інтерес до твердотільних акумуляторів. Компанія Honda, наприклад, заявила, що скоро продемонструє цю технологію. А у 2024 році Samsung SDI заявила, що до 2027 року вона вийде на масове виробництво твердотільних акумуляторів.

Водневі паливні елементи

Хоча водневі паливні елементи не зовсім схожі на літій-іонні батареї, що перезаряджаються, вони стали популярною альтернативою для отримання чистої енергії. Для виробництва електроенергії та водяної пари вони використовують водневий газ і кисень, що зберігаються. Іншими словами, побічний продукт реакції повністю екологічний.

Однак у водневих паливних елементів все ще є кілька недоліків. Наприклад, для автомобільної промисловості потрібно побудувати мережу водневих заправних станцій. Крім того, водневі паливні елементи дорогі у виробництві, тому, незважаючи на те, що є такі автомобілі, як Toyota Mirai, лише в кількох регіонах світу існує інфраструктура для заправки цього авто.

Водні магнієві батареї

У черговій спробі зробити акумуляторні батареї менш небезпечними і шкідливими дослідники запропонували використовувати іони магнію як носії заряду. Це має кілька переваг, починаючи з рясної доступності магнію і більш високого іонного заряду порівняно з літієм. Останнє означає більш високу щільність енергії від осередку того ж розміру. Нарешті, ці батареї також використовують водний електроліт (воду) замість легкозаймистої органічної рідини.

Незважаючи на багатообіцяючі результати, вчені все ще перебувають на ранніх стадіях досліджень. Технологія стикається з низкою обмежень, які не дозволяють їй найближчим часом стати альтернативою літій-іонним батареям. Наприклад, наявні катодні матеріали, які працюють з літієм, не можуть використовуватися для магнію. А використання водного електроліту накладає обмеження на максимальну напругу батареї, оскільки вода розпадається за більш високої напруги.

Графенові батареї

Графен являє собою один шар атомів вуглецю, розташованих у гексагональній решітці або стільниковій структурі. Лист графена настільки тонкий, що його практично можна розглядати як двовимірну структуру. Ця унікальна властивість добре підходить для виробництва батарей, оскільки вона також має чудову електропровідність, малу вагу і міцну фізичну структуру. У 2021 році китайський автовиробник GAC оголосив про прорив у технології графенових батарей, досягнувши 80% заряду всього за 8 хвилин.

Було багато галасу навколо графена як альтернативи літій-іонним акумуляторам, але комерційні продукти поки що залишаються нежиттєздатними. Його вартість, можливо, є головною причиною, через яку галузь ще не прийняла його. При ціні понад 60 000 доларів за метричну тонну графен наразі використовується тільки в дуже малих кількостях. Ford, наприклад, використовує слідові кількості матеріалу в двигунах і паливних системах для зниження шуму і витримування тепла.

Источник: focus.ua