Энергия будущего, революционные аккумуляторы

Станислав Федотов, профессор Сколтеха и победитель президентской программы Российского научного фонда, рассказывает про альтернативные источники энергии будущего и революционные аккумуляторы будущего.

Технологическая революция уже свершилась, благодаря этому мы живем сегодняшним днем, используем новейшие гаджеты, используем электромобили. Сейчас мы стоим на пути полноценного энергоперехода. 

В настоящее время ведется очень много разговоров в научных, государственных и коммерческих кругах по поводу увеличения доли различных видов альтернативной энергии: чистой, зеленой, возобновляемой от солнца, ветра.

Это способствует, например, глобальной электрификации транспорта. Появляются муниципальные russia.ru/library/video/eto-elektrobus-268">электробусы и даже водородомобили. Такое повальное использование электричества связано в том числе с новыми, более экологичными способами получения этого самого электричества. И разумеется, благодаря аккумуляторам, о которых рассказывает Станислав Федотов.

Какие бывают аккумуляторы?

Литиевые, которые используются в смартфонах. Никель-кадмиевые, которые очень часто использовались раньше. Свинцово-кислотные АКБ, которые устанавливаются в обычные автомобили.

Но что такое аккумулятор?

АКБ — это накопитель энергии. Сейчас на рынке довольно много типов аккумуляторов: пальчиковые, призматические, монетного типа.

Массовому переходу на электричество и развитию высоких технологий, робототехники, смартфонов, дронов мы обязаны литий-ионным аккумуляторам. Эти аккумуляторы используются сегодня повсеместно. Например, в космической промышленности, в автомобилях Tesla и на бытовом уровне.

Тренд на использование таких аккумуляторов и переход на «зеленое» электричество будет только расти. Bloomberg считает, что к 2040 году число автомобилей, которые будут продаваться, превысит показатель 35% от общего числа продаж вообще всех автомобилей за всю историю. И более полумиллиарда из этих автомобилей будут работать на электричестве.

Но что еще интереснее: кардинальные перемены ждут всю мировую электрификацию. Какая связь между возобновляемыми источниками энергии и аккумуляторами? Все просто. Гораздо эффективнее использовать возобновляемую энергию не просто здесь и сейчас, но и откладывать ее на запас.

Если вы установите солнечные батареи без аккумулятора, то электричеством вы сможете пользоваться только в светлое время суток. С аккумулятором — в любое. В Калифорнии уже пошли дальше. В домах устанавливаются полноценные умные системы «зеленой» энергетики.

К чему мы идем?

Представим город. У половины населения города установлены солнечные батареи или другие источники возобновляемой энергии. А у другой половины нет. Люди, которые обладают солнечными батареями, удовлетворяют свои потребности, и у них еще остается в аккумуляторах запас энергии.

Они этой энергией смогут обмениваться с другими людьми, с теми, у кого источников возобновляемой энергии нет. Как сегодня мы можем между абонентами обмениваться гигабайтами Интернета, так мы в будущем будем обмениваться электричеством. Это говорит о том, что центральные поставщики электроэнергии будут вытеснены децентрализованными системами, вероятно. А управлять раздачей и приемом электричества будет искусственный интеллект.

Это откроет огромные перспективы и возможности, снизит расходы на электроэнергию, а также позволит привнести огромный вклад в заботу об экологии и природе нашей планеты.

В дополнение к теме

Мечта об энергии: какими могут быть аккумуляторы будущего

Основным недостатком традиционных литий-ионных аккумуляторов является плотность энергии, которой недостаточно, чтобы обеспечить работу электрического устройства в течение длительного времени. Уже сегодня нужны батареи, которые будут более эффективными, позволят хранить еще больше энергии, и на их работу не будут влиять внешние условия, такие как температура. Литий-ионные аккумуляторы имеют определенную рабочую температуру ― диапазон от +50 ºС до –10 ºС. Еще одна проблема, приобретающая все большее значение, — ограниченная способность литий-ионных батарей заряжаться без сбоев с использованием технологии быстрой зарядки. Быстрая зарядка, которая уже активно используется в смартфонах и электрических автомобилях, крайне негативно сказывается на состоянии элементов, быстрее изнашивая их. Другой слабой стороной литий-ионных батареек является то, что они плохо справляются с полным зарядом и полным разрядом, от которого быстрее деградируют. Поэтому в некоторых электрических автомобилях можно встретить по умолчанию блокировку зарядки до 90%.

В литий-ионной технологии структура ячейки всегда одинакова. Есть две металлические фольги, например, медная или алюминиевая. Между ними находятся два электрода ― анод и катод, между которыми происходит электрическая реакция. Для реакции требуется химически активный металл, такой как литий. Самым большим генератором затрат является состав катода, то есть положительного электрода батареи. Он состоит из смеси никеля, марганца и кобальта. Анод изготовлен из порошка графита, лития, электролитов, которые при активном использовании достаточно быстро теряют свои свойства. В будущем альтернативой кремнию станет графитовый порошок. Это позволит увеличить плотность энергии аккумуляторов на целых 20-25%. Перспективной технологией сегодня является замена смеси графита и меди чистым литием, что позволит увеличить мощность существующих аккумуляторов в 10 раз. Уже сейчас международная группа ученых под руководством Даррена Хана и при участии инженеров LG разработала высокоэффективную полупроводниковую батарею с анодом из чистого кремния. Еего называли аккумулятором энергетики будущего, потому что по своим свойствам она превосходит все аналоги. Для создания такой батареи инженеры объединили два подхода к производству аккумуляторов для электромобилей, благодаря чему батарея содержит твердый электролит и кремниевый анод.

Какие еще аккумуляторы могут появиться в наших устройствах в будущем? Вот несколько вариантов альтернативных источников энергии (АИЭ):

1. Литий-угольная батарея. Такой аккумулятор имеет анод, соединенный с катодом, которые разделены электролитом органического происхождения. Благодаря такой структуре он имеет высокую накопительную способность и можетспособен заряжать устройства с максимальной скоростью.
2. Литий-серная батарея. В такой батарейке используются компоненты на основе сахара, которые помогают поддерживать прочные сульфидные связи. Максимальная емкость такого источника энергии составляет около 700 мАч/г и рабочий период около 1000 циклов.
3. Хлорно-щелочная батарея. Принцип работы этого революционного аккумулятора основан на реакции обратного химического превращения хлорида натрия и хлорида лития в хлор. Зарядная емкость такого аккумулятора составляет около 2800 мАч/г, но пока еще он находится в стадии доработки, потому что пока ученым не удалось стабилизировать емкость после первого цикла использования.

Аккумуляторы будущего станут более эффективными и обеспечат более высокую плотность энергии при увеличении скорости зарядки. Они должны стать естественной эволюцией литий-ионных элементов с точки зрения функциональности, удобства использования и безопасности утилизации. Современные виды аккумуляторов в большом количестве разрабатываются для автомобилей. Автомобильная промышленность — это отрасль, которая больше всего инвестирует в новые революционные технологии, связанные с аккумуляторными батареями.