Лента TH Новости Альтернативная энергетика



Крупнейшие прорывы в области энергохранения за 2017 год

∴ 501

Современные аккумуляторы это невидимые опоры цивилизации. О свершениях в данной области за прошедший год и пойдет речь в этой статье.

1119

Безопасность прежде всего

Надежность литиево-ионных аккумуляторов очень низка, но при этом они занимают крупный сегмент рынка. В связи с этим, вероятность того, что в мире что-то пойдет не так, крайне высока. Пылающие смартфоны Samsung и iPhone являются свидетельством этого.

Для современного производства стало нормой поставлять аккумуляторы со встроенными чипами, отображающими напряжение тока, температуру и заряд, что позволяет использовать системы предупреждения при том же перегреве.

Но исследователи всегда ищут способы сохранить низкую температуру, и одним из способов достижения этого может быть замена электролита, жидкости, которая несет ионы, на что-то менее огнеопасное.

Еще в 2015 году ученые из Университета штата Мэриленд и Исследовательской лаборатории армии США предложили новый тип электролитов на основе солей. Сфера применения: от кардиостимуляторов до крупномасштабных сетей хранения энергии. В то время как безопасность аккумуляторов была высока, её максимальный потенциал составлял 3 В.

В сентябре этого года исследователи смогли поднять планку до 4 В. Кроме того, новые аккумуляторы обладают еще большим напряжением, достаточным для питания портативных компьютеров. Ученые достигли этого, разработав новое гелевое полимерное покрытие. В настоящее время команда сосредоточена на увеличении числа полных циклов работы батареи. Желаемая планка – от 100 до 500 или более циклов перезарядки. Это необходимо, чтобы сделать новое поколение аккумуляторов конкурентоспособными.

Другой способ предотвращения возгорания – это интеграция антипирена в аккумулятор. Данное вещество начинает действовать при перегреве. Встроенный огнетушитель, если хотите. До недавнего времени попытки интеграции были неуспешны, так как подобное вмешательство вредило производительности батареи.

В январе ученые из Стэнфордского университета нашли решение. Их конструкция содержит общий антипирен, называемый трифенилфосфат (ТРП), в оболочке из полимерных микроволокон. Волокна расплавляются, когда температура достигает 160 ° C и выделяют антипирен в электролит до, или на ранних стадиях горения.

Конструкция была успешно протестирована при возгорании. В настоящее время проводится тестирование при серьезных механических повреждениях.

Быстрая зарядка как краеугольный камень мира машин

Для современных электромобилей зарядка стала уязвимым местом. Заряжать автомобиль по несколько часов, чтобы проехать 320 км? Однако спрос породил предложение.

В октябре Toshiba анонсировала следующее поколение аккумуляторов Super Charge ion (SCiB0). В ней используется новый материал для анода, известный как оксид ниобия титана, который способен более эффективно хранить ионы лития, так что плотность энергии удвоилась. Toshiba планирует вывести батарею на рынок в 2019 году. Это позволит заряжать электромобиль в 3 раза быстрее.

Toshiba – не единственный гигант электроники в области быстрой зарядки. В ноябре исследователи из Samsung Advanced Institute of Technology сообщили о новом поколении материалов. А именно — графеновых шарах. Материал использовался в качестве анода вместе с защитным слоем для катода, в литий-ионной батарее. Благодаря этому команда смогла свести к минимуму вероятность перегрева и повысила КПД аккумуляторов.

Исследователи говорят, что эти графеновые шары могут сократить время зарядки смартфонов до 12 минут. Более того, они могут также увеличить емкость аккумулятора на 45 процентов и поддерживать стабильную рабочую температуру. Последний фактор является критически важным для электромобилей.

Объем

На сегодняшний день литиево-ионные аккумуляторы позволяют удерживать заряд максимально долго, в сравнении с другими аккумуляторами. Но владелец любого смартфона (за редким исключением) хочет большего. Таким образом, увеличение емкости литиевых батарей является еще одним ключевым направлением для ученых во всем мире.

Исследователи из Университета Райса учли это, сосредоточившись на побочном эффекте зарядки, а именно на дендритах. Эти микроскопические литиевые волокна, что накапливаются на анодах. Чем больше дендритов, тем хуже батарея держит заряд.

Команда построила прототип батареи, на основе двумерного графенового листа, выращенного на металле в сочетании с углеродными нанотрубками. Последние играют роль анода. Обладая низкой плотностью и высокой площадью поверхности, этот лес из 3D-нанотрубок полностью предотвращает рост дендритов.

В ходе тестирования команда обнаружила, что анодный материал позволяет создавать аккумуляторы на основе чистого лития. Более того, данный аккумулятор будет в 10 раз долговечнее, чем классические литиево-ионные аккумуляторы.
Спрос на графен уверенно растет. Ценность материала как проводника давно доказана. Но в ноябре ученые из Арканзасского университета обнаружили, что графен способен сам генерировать электричество.

Команда придумала способ задействовать энергию, которая возникает за крайне короткие промежутки времени. Ученые окрестили этот процесс — графенной рябью. Это когда атомы углерода на листе графена поднимаются и падают, как волны в океане, в ответ на изменения температуры окружающей среды.

Подвесив графеновый лист между двух электродов, команда смогла создать переменный ток. Используя устройство под названием «Вибрационный энергетический комбайн», команда смогла генерировать достаточно электричества, чтобы задействовать наручные часы.

Теоретически эта технология не требует зарядки и не изнашивается, поэтому повышается перспектива использования графена в качестве безграничного энергетического решения. Сложность заключается в интеграции графена в такие изделия, как кардиостимуляторы и слуховые аппараты. Но исследователи продолжают свои эксперименты с целью вывода технологии на рынок.

Говоря о мощности, мы должны упомянуть, что только в прошлом месяце Южная Австралия запустила крупнейшее в мире литий-ионное энергохранилище. Благодаря компании Tesla, процесс развертывания занял 100 дней. Powerpack на 129 МВт\ч нацелен на решение энергетических проблем государства и способен обеспечить электроэнергией более чем 30 000 домов.

Экология

В этом году мы увидели некоторые достижения, которые не только обещают увеличить емкость батарей, но и делают это таким образом, чтобы они были дружественными к окружающей среде.

Исследователи из Университета Тохоку в Японии и Университета Осаки использовали большой побочный продукт производства электроники — кремниевые опилки, созданные при вырезании кремния из больших листов. Модифицировав опилки в пористые и гибкие структуры и покрыв их углеродом, команда смогла создать новый вид анода батареи.

Полученная литий-ионная батарея стала не только источником утилизации вторсырья, но и достигла постоянной емкости 1200 мАч/г (миллиампер часов на грамм). Данную емкость аккумулятор способен удерживать 800 циклов. Команда утверждает, что это в 3,3 раза больше, чем у обычного графитового анода.

Еще один пример использования переработанных материалов, используемых в передовых батареях, был предложен исследователями из Калифорнийского университета Риверсайд в апреле. Ученые уменьшили диоксид кремния до наночастиц, прежде чем наносить их на углерод.

Кремний в качестве анода батареи может хранить до 10 раз больше энергии, чем типичный графитовый анод. С учетом этого команда смогла создать батарею ёмкостью около 1400 мАч / г (миллиампер часов на грамм). Ученые подали патент на экологически чистые, недорогие технологии.

Имеет смысл использовать широко доступные материалы, по мере возможности. В августе ученые из Сиднейского университета создали батарею на основе сернистого газа (газообразный Цинк).

Цинко-газовые батареи хороши потому, что используя воздух вокруг энергоячейки для управления химическими реакциями, вы можете вместить больше цинка и увеличить плотность энергии. Слабая сторона данных аккумуляторов в том, что газ окисляет цинковый анод и делает его в значительной степени бесполезным, требуя дорогостоящих драгоценных металлов в качестве катализаторов для поддержания работоспособности.

Исследовательская группа в Сиднее придумала недорогую альтернативу. Создание катализаторов из более распространенных элементов, таких как железо, кобальт и никель. В результате получается батарея, заполненная цинковым воздухом, которую легче заряжать, и при испытаниях она потеряла менее 10 процентов своей эффективности при более 60-ти циклах разряда и зарядки.

Продолжение следует…

Новые батареи это долгий срок активной работы смартфонов, свобода передвижений на электромобиле, долгие фотосессии и большее количество отснятого материала. Это долгие часы вечеринок, организованных силами беспроводных колонок и электрические велосипеды, которые доставят вас в любую точку самых крупных мегаполисов. Поэтому данная отрасль не стоит на месте.

Этот год был насыщенным в сфере инноваций для аккумуляторов. Кто знает, может быть, в ближайшие годы вы будете читать «t-human» на телефоне, работающем от батарей на основе шариков графена. Или ехать в электромобиле с батареей, которой с лихвой хватит на пару тысяч километров.

Филипп Дончев