12243
7
3
Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной.
Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.
Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.
Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).
Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.
Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.
Главная проблема «революционных» батарей
Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.
Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.
Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?
Неудачные эксперименты
Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.
В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.
Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.
Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.
Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.
Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.
Главная проблема «революционных» батарей
Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.
Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.
Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?
Неудачные эксперименты
Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.
В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.
Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.
Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.
Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems
Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.
Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.
Выработка вместо накопления энергии
Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.
Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.
В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.
Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.
Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.
Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.
Выработка вместо накопления энергии
Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.
Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.
В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.
Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.
Видео с демонстрацией заправки и работы Toshiba Dynario
Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.
Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.
Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University
Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.
Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.
Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.
Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.
Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.
Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University
Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.
Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.
Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.
А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion
Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.
Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.
Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.
Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.
Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.
Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.
Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.
Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.
Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan
Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.
Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.
Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.
Видео вскрытия святая святых — NCA-ячейки батареи электромобиля Tesla Model S
Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.
Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.
SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba
Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.
Тест литий-титанатной батареи Toshiba на разгерметизацию. Загорится или нет?
Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.
Тест литий-титанатной батареи Toshiba на разгерметизацию. Загорится или нет?
Энергетическая сингулярность
Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.
А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.
Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs
С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.
Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.
А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.
Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs
С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.
Источник:
Ссылки по теме:
- 10 изобретений русских ученых, без которых не представить современный мир
- 15 заброшенных военных объектов, на которых можно увидеть технику
- Как жили дети генсеков Болгарии, ГДР, Польши и Румынии после заката социализма
- Команданте: редкие архивные снимки Че Гевары
- 8 доказательств того, что будущее уже наступило
Не нужно забывать, что ёмкость и использование аккумуляторов ничтожно по сравнению с выработками электростанций.
Разумеется возникает вопрос, что не всегда можно запитаться от кабеля, однако радио изобретённое более 100 лет назад, уже тогда могло работать и давать тихий звук в наушник за счёт силы электро волны без использования электричества.
А сегодня на каждом шагу у нас беспроводные зарядки, вполне возможно тема будет развиваться и мы забудем о зарядке мелких устройств в принципе и не за счёт энергоёмкости аккумуляторов.
Кроме этого в косилке была реализована систему рекуперации кинетической энергии (KERS). Когда ты отпускал ручку газа, включалась динамка, которая возвращала энергию замедляющего свое вращение металлического ножа в аккумулятор.
Включив трансляцию F1, я обнаружил что как раз в это же время аналогичная система KERS была установлена на болид F1 Ferrari F60. Но Bosch успел все же поставить KERS на газонокосилки раньше! ;-)
Вот тогда я и поверил что у меня революционная косилка, которая кстати до сих пор косит и даже аккумулятор тот еще жив.
Если научимся извлекать сию энергию - 100 грамм вещества (любого, например песка) хватит на всю жизнь и Вам и Вашим внукам.
Есть куда ещё копать =)
Т.е. тратить киловатт в секунду в течении часа = тратить 1 киловатт-час. Не надо умножать на 3600.
Возьмите платежку за электричество, и вспомните потребление Вашего любимого электрочайника (оно зачастую в пределах 1-2 киловатт, для простоты пусть будет =2). Если греть таким чайником воду в течении 8 часов, в платежку за электричество впишут 16 квт.ч.
То, что вы пишите - абсурдно. это всё равно, что сказать, будто лить воду в ёмкость 1 тонна за секунду (тонна\с) = лить воду 1тонна\час. Несуразица, разве не видите? Попробуйте закрыть глаза и представить Это.
________________
Да ну на хер... тратить 1000 рублей в секунду в течение часа = тратить 1000 рублей в час
РИТЭГ, вырабатывающий 30Вт в 70е весил в районе полутора тонн, а экспериментальные батарейки на основе бета-вольтаического эффекта вырабатывали наноамперные токи.
=====
Считаю подменой понятий маркетологами то что сейчас происходит с якобы мобильной электроникой. Если ноуты работают всего несколько часов, а смарты в лучшем случае 1-2 дня - это по сути больше называется, скажем, резервным питанием.
Проблема в том, что фундаментальная наука почти не развивается, капиталистам нужна выгода уже сегодня, сейчас. О том, что будет через годы, они не думают. Я уже не говорю про десятилетия и века. Наука в основном развивается в чисто прикладном направлении, чтобы что-то сделать и продать. С космосом уныло, летают чуть усовершенствованные разработки 70-х годов. Даже все эти смартфоны не могут сделать так, чтобы они не жрали огромное количество энергии в ждущем режиме, когда аппарат просто находится на ожидания приема. Ведь древние телефоны с батарейкой в пять раз меньшей емкости могли так работать недели две.
Или могут, но не хотят? Специально делают так, чтобы тратилось больше ресурсов, чтобы больше платили?
Мерзкий капиталист Безос тратит 1-1.5 млрд баксов (собственных, кстати) ежегодно, развивая ракетные технологии, в недалёком будущем позволящие слетать в космос не за 20 млн. баксов, а на порядки дешевле.
Мерзкий капиталист Маск (на деньги не менее мерзких капиталистических налогоплательщиков США) построил возвращаемую ступень (не смотря на вопли очень скрепных всепропальщиков), и таскает в космос спутники для обеспечения интернетом всех желающих.
Мерзкий капиталист Гейтс вваливает миллиарды собственных баксов в медицину, попутно спасая от малярии каких-то там негров в Африке...
Это только те, кто на слуху.
Видимо, специально не хотят ничего развивать, окаянные!
Ну а про смартфоны - сразу чувствуется мнение профи в этой области - "не могут" и все тут.
Я тебе по секрету скажу, что если на сматрфон вместо какого-нибудь там андроида или айос поставить какую-нибудь Nuclear RTOS или типа того, то работать они будут пахать месяцами на современных емкостях. Но заниматься будут как раз тем, что "ожидать приема" и больше ничем. У меня есть такой, на 3 симки и аккумулятором из 2х18650. Реально в режиме ожидания 6 недель работает. Но кроме как звонить, да SMS отправлять, ничего не умеет, что совершенно не устроит нынешних пользователей этих устройств. Функциональность и свистелко-перделки требуют жертв, да.
Как и современные потроха этих самых смартфонов, на ПОРЯДКИ превышающие быстродействием ПК 25-летней давности (я уж не говорю за полувековые ЭВМ, потребляющие сотни киловатт), которые (на минуточку!) не то, чтобы от батарейки размером со спичечный коробок, от аккумулятора от КаМАЗа работать смогли бы максимум несколько часов.
Действительно... Никаких подвижек, никакого развития.
Поэтому деньги все-таки ИХ (пусть даже условно, если не вдаваться в софистику типа "эксплуатация рабочих и крестьян").
По существу-то есть что сказать?
Я просто охреневаю от такой наивности.
По существу: именно отъем добавочной стоимости делает капиталиста капиталистом. Это главный признак капитализма - частная собственность на средства производства. Чем российский буржуй отличается от заграничного? Да ничем! Казалось бы, у всяких америкосов, французов, немцев и т.д. не было социалистической собственности, которую они бы отжали практически мгновенно, как наши. НО! Посмотри КТО сейчас владеет предприятиями на нашей территории. И увидишь, что большинство именно иностранцы. Т.е. ожатие завода - это плохо. А отжатие у отжавшего, это "заработал мозгами".
В какой-то кап. стране люди живут лучше, чем здесь? Проследи связи, ЗА ЧЕЙ СЧЕТ они живут лучше? Капитализм работает в масштабе планеты. Если где-то что-то больше, то только за счет того, что где-то меньше.
А ты продолжай верить в "капитализм с человеческим лицом".
того самого труда). И живу, кстати, за счет своих мозгов, находясь на вершине условной пищевой цепочки в рамках своего предприятия. Угрызений совести по поводу того, что чернорабочий (занимающемуся очень интеллектуальной работой в виде перетаскивания всяких тяжелых железок из угла А в угол Б на погрузчике) живет в итоге хуже меня, не испытываю, как и не считаю, что живу за его счет.
По теме комментарии будут? Обсудить пути развития социума у меня есть с кем, поэтому не надо переводить на эту тему, тут про аккумуляторы.
Ну так к теме... чтобы ты не говорил про то, что несравненно увеличились вычислительные мощности, совершенствуется только технология. Нового не придумано ничего. Те же транзисторы, но меньшего размера. Те же светодиоды и т.д. И технология уже упирается в тупик. Тупо множатся ядра процессоров, сжирая уйму энергии и т.д. В чем я неправ?
Нет, так получается только в твоей голове. Про "лучшее в мире образование" даже не начинай, ибо "лучшим" оно было только в головах у тех, кто другого не видел.
>>В чем я неправ?
В том, что транзисторы придумали "проклятые капиталисты". И как эти транзисторы уменьшить с размеров пары кубических сантиметров до нанометровых - это тоже они придумали. И более того - сделали это доступным для всех.
Про "уйму энергии" я выше уже писал - аккумулятор размером со спичечный коробок питает устройство на несколько порядков более мощное, нежели ЭВМ каких-то 20-25 лет назад. Это типа не прогресс?
Это мечта советских (и не только) фантастов еще в 80х годах прошлого века. А прошло каких-то 40 лет, даже поколение не сменилось. Напряги память, ну или подшивки журналов полистай. А сейчас это обыденность, иметь в кармане устройство, превышающее мощностью вычислений полноценный ВЦ на ЕСках и стоимостью в 2-3 похода в ресторан средней руки.
>>И технология уже упирается в тупик
Она "упирается" уже лет 50, еще со времен Мура, все бедолага никак упереться не может. Кстати, не позволяют ей упереться как раз те самые проклятые капиталисты, если уж на то пошло... Интел там, АМД, ARM... даже МедиаТек - и те капиталисты, ибо Тайвань.
Ну а теперь можешь двинуть спич, как советское правительство так мощно развивало науку, что максимум, что из нее выдавили под конец века - это копию буржуйского процессора по технологиям 70х годов, а мы послушаем.
Между тем, "поганые коммунисты" (Лосев)открыли такое явление, какое было положено в основу работы светодиода. П/п лазер разработал Алферов. Первая "мобила" появилась в СССР... много еще чего можно перечислить. Лодыгин, Басов, Прохоров, Якоби, Горохов, Попов, Ползунов...
Среди американских ученых "коренных" не так уж и много. Американская система прекрасно паразитирует на остальных частях планеты. Многие изобретали - иммигранты. Сикорский, Зворыкин, Тесла и т.д. Америка умеет превращать изобретение в коммерческий продукт. А изобретателей потом на помойку.
Как и
>> так неистово надрачиваешь на капиталистов
>>Многие изобретали - иммигранты.
Да. Видимо, их туда насильно тащили. Тайно и под покровом ночи. Чтобы паразитировать, очевидно же.
Ехали они все туда совершенно добровольно и только потому, что только там имели возможность работать. Не в лагерях и шаражках, как Королёв, а полноценно работать над своими проектами.
>>А изобретателей потом на помойку.
Ага, особенно Сикорского, который получил высшую награду технарей в Америке (со всеми привилегиями и конечно же деньгами), Зворыкина, которому лично президент США вручал медаль и которого избрали в галерею национальной славы. Прям не представляю, как они там бедолаги страдали-то. То ли дело Ландау или Фомин, которых так смачно отблагодарила родина за продвижение науки, верно?
>> П/п лазер разработал Алферов
Вот именно. Имея такого гиганта, как Алферов (который никуда не мигрировал, а старался двигать науку в СССР, "мудрые" правители умудрились целиком и полностью просрать п/п лазерную технику в стране.
Которую потом закупали через третьи страны у узкоглазых, которые за полвека до этого еще в феодализме жили.
Давай, жги еще про "помойку и паразитизм", очень смешно.
Или так, в каких фундаментальных или прикладных научных исследованиях вам удалось поучаствовать у нас, или же под крылом международных корпораций капиталистов?
Откуда вы черпаете свою информацию?
НЕСЕТЕ ХЕРНЮ!!!
Фундаментальные исследования проводятся постоянно. Параллельно с ними постоянно проводится оценка их практического применения на основе уже сейчас достигнутых результатов. Какие-то корпорации решаются даже на промышленный выпуск, заведомо понимая, что проект будет убыточен сейчас, но позволит обкатать технологию. Вам даже в этом посте приведи несколько примеров - Тойота на водородном двигателе в серийном производстве один из них.
Но вы же этого не видите. У вас же есть шаблон - капиталисты выжимают соки и не создают ничего нового.
Конечно. А, простите, смартфон в ваших руках, монитор перед вашими глазами, процессор в вашем компьютере - разве не продукты сугубо капиталистической системы???
Разве ещё 20 лет назад сам по себе сотовый телефон не был роскошью, представлявшей собой довольно увесистую звонилку и только? Разве мы не прошли период VHS и CD - канувших в лету форматов носителей информации, ещё 30 лет назад казавшихся чем-то прорывным, а сейчас уже устаревшим. РАзве за это время не были придуманы, запущенны в массовое производство, а затем затерялись среди новых и новых разработок, проекционные и плазменные телевизоры?
Разве ещё десяток лет назад мы не передавали песенку с телефона на телефон по ИК-порту, сейчас закидывая гигабайты через 4G на облако?
КТО ВСЕ ЭТО СДЕЛАЛ???
Северная Корея?
С другой стороны, 40 лет производства УАЗика Буханки и линейки FIAT на Автовазе, разве не самый наглядный пример "отжатия по максимуму" без создания чего то нового в системе, противоположной капиталистической?
ОЧНИТЕСЬ!!!!
Которое не позволяет ему (судя по посту выше) разбираться даже в его же теме - электронике, но видимо позволяет ханжески рассуждать о вещах, в которых он вообще ничего не понимает, например, в молоке.
А что мы имеем - некоторые признаки капиталистической системы в её изначальном виде. В "старых" капиталистических странах эта система претерпела массу корректировок по ходу параллельного развития гражданского общества и демократического устройства управления государством. Системы же сдержек и противовесов в нашей стране нет. Гражданское общество не построено, вместо демократических процедур - профанации с семьюпроцентыми барьерами, назначаемыми губернаторами и сенаторами, суды зависимы до паскудства, а случайно не подконтрольные элите СМИ живут совсем не долго и не ярко.
Вот "Юстасов" и делает такие выводы относительно капитализма, как такового. Только забывает, что сама по себе форма собственности ничего не гарантирует.
Некоторое сходство нынешний с ним имеет, но это примерно как сравнивать версию коммунизма в Китае (с частной собственностью и вполне себе официальными долларовыми миллиардерами в Компартии Китая) с версией коммунизма режима Пол Пота.
Хотя тот же Маркс писал в своих трудах теорию становления коммунизма (капитализм->социализм->коммунизм) и искренне считал, что социализм может наступить "в индустриально развитой стране" (намекая на Германию). Что, кстати, почти и произошло, но в извращенной форме - Гитлер был как раз национал-социалистом.
Зато сия теория вполне себе видна как раз в европейских сугубо капиталистических странах - Швеция, Финляндия, Норвегия, где уровень социализма позволяет своим гражданам получать гораздо больше ништяков, чем при Союзе.
Даже в "насквозь капиталистической Германии" образование (включая высшее) - бесплатное.
Помню статьи в 90 когда перспективным направлением хранения данных считались магнито-оптические диски -но нет не пошло дело, флеш память тогда еще дорогая и малоемкая через пару десятилетий уделала всех.
Но кто же его даст? Второго Прометея не предвидется
Это водород кислород (вода есть везде).
Это натрий и хлор (соленая вода есть практически везде).
Это углеводороды (растения есть практически везде).
А делать батареи из жопок дикобраза (кобальта и лития) причем в количестве 600кг батареи на 2.5 тонную Тесла для перевозки одной единственной 120ти килограммовой американской жоппы - не эффективно.
Опять же после выхода срока батареи (1000 перезарядов) этот кобальт с литием еще нужно извлечь и переработать.
На данный момент 75% всей электроэнергии на земле производится за счет сжигания нефти, газа и угля. 10% за счет атомной, 5% за счет гидро и остальное - СЭС и ветряки.
На транспорт тратится примерно столько же энергии сколько и на выработку электроэнергии.
Т.е. чтобы обеспечить весь транспорт электричеством нужно будет удвоить а то и утроить выработку электроэнергии.
Где еще 10%?)))