Что нового в аккумуляторах обещает 2023 год? Технологии готовы к массовому применению. Узнайте первыми, какие они.
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Научно-популярное
Созданы не с целью освоения денег инвесторов. Реальные гиганты аккумуляторной индустрии разработали их: CATL, Murata, Panasonic совместно с BMW, Toyota другими крупными концернами.
⚡ Среди сегодняшних героев есть даже 100-летний прародитель кобальтовой технологии литий-ионных батарей.
🔻 Далее остановимся на этих технологиях подробнее и ещё на некоторых новинках, которые стоят нашего с вами внимания в 2023 году.
Квантовое стекло от автора Li-ion
Джон Гуденаф получил Нобелевскую премию по Химии в 2019-м году за литий-ионные батареи, которые мы сейчас используем в смартфонах. И теперь он избавит своё детище от дендритов с помощью квантового стекла.
Решение было найдено в 2017-м году. С тех пор Джон Гуденаф (John Goodenough) с помощью Panasonic и Toyota добился практического воплощения своей теории:
- он разработал квантовое стекло в качестве электролита;
- этот материал легирован щелочными материалами;
- в их состав добавляют литий (Li) или натрий (Na);
- аккумулятор избавлен от проблемы остроконечных дендритов;
- его можно заряжать так быстро, как это только позволяет физика.
Аккумуляторы с квантовым стеклом Гуденафа будет выпускать QuantumScape. Это организация типа «СПАК» (специализированная компания по целевым слияниям и поглощениям). Она создана с целью быстрого выхода на рынок в 2025 году, минуя IPO.
📃 [Публикация FinancialTimes, США, 2021].
Натрий-ионные, кремниевые и графеновые
Китайский аккумуляторный гигант CATL изготавливает твердотельные прототипы кремниевых и графеновых ячеек. А ещё тестирует натрий-ионные — они уже готовы.
Натрий-ионные батареи (Na-ion)
- представлены в 2021-м году, релиз с 2023-го;
- это твёрдый углеродный анод и катод из оксида металла Na;
- натрий в сотню раз проще добыть и дешевле, чем литий;
- ионы натрия крупнее литиевых;
- повышены требования к стабильности и кинетическим свойствам материалов батареи;
- меньше ёмкость, чем у литий-ионных, но дешевле и стабильнее в морозы;
- электролит солевой органический (например, LiPF6), как и в литий-ионных ячейках;
- вместо кобальта (Co) и никеля (Ni) применяют железо (Fe) и марганец (Mn).
📃 [Подробное описание технологии, Neovolt, Россия, 2021].
Кремниевые, графеновые и композитные электроды
- коммерческие образцы электродов на основе кремния готовы;
- графеновые ожидаются до 2025-го года;
- выпуск возложен на Sila Nanotechnology — совместный стартап CATL, BMW и Daimler;
- предложены сферические частицы кремния, которые могут расширяться без повреждений (в отличие от чешуйчатых форм графена и кремния);
- прежние прототипы из-за надломов приводили к коротким замыканиям, теперь эта проблема решена;
- аноды с кремнием способны хранить энергии в 20 раз больше, чем традиционные графитовые;
- кремниевые и графеновые аккумуляторы CATL, следовательно, способны дать реальную ёмкость в 20 раз больше, чем современные литий-ионные батареи.
📃 [Исследование Юго-восточного университета, Нанкин, Китай, 2022].
Вместо свинцово-кислотных АКБ жидкометаллические (Ca-Sb)
Свинцово-кислотные АКБ заменят на жидкометаллические кальциево-сурьмянистые (Ca-Sb). Первые образцы ставят на солнечные и ветряные электростанции.
- Коммерческие образцы с 2023-го года;
- стационарное хранение энергии — основное назначение (ИБП, накопители, аварийное питание);
- жидкий кальциевый (Ca) анод;
- жидкий катод с частицами сурьмы (Sb);
- расплавленный солевой электролит;
- дешевле и безопаснее литий-железо-фосфатных;
- значительно дешевле литий-титанатных и проще в производстве;
- дольше служат и не требуют обслуживания в отличие от свинцово-кислотных.
📃 [Подробное описание в исследовании Университета науки и технологий Хуажонг, Ухань, Китай 2021].
Ультраконденсаторы вместо аккумуляторов
Ионисторы или «суперконденсаторы» уже давно применяются там, где нужно быстро отдать максимум энергии с большим током. Их КПД до 98%. Такие конденсаторы вместо литий-ионной батареи, например, ставят в автомобильные видеорегистраторы — дольше служат, а ещё не могут загореться.
Ультраконденсаторами занялись сразу пять компаний: организации Skeleton Technologies, Hawa, Murata, Panasonic и Maxwell (ранее работали под Tesla). Они завершают проекты по исследованию углеродных нанотрубок для мгновенного накопления и отдачи электрической энергии.
- Ультраконденсаторы вмещают больше энергии при тех же размерах, что и у обычных конденсаторов-накопителей;
- их цель стать альтернативой литий-ионным аккумуляторам, а не параллельной технологией с узкими целями и задачами (как у классических ионисторов);
- их технология основана на принципе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNT) — её используют многие американские стартапы, пытающиеся ускорить быструю зарядку электромобилей;
- дороговизна таких систем пока не позволяет им стать массовыми, но в определённых нишах они займут место уже в 2023-м.
📃 [Подробности в научной статье «Электрохимические конденсаторы», Военная академия связи им. С. М. Будённого, Россия, 2022]
***
Когда большинство людей думают об аккумуляторе, то представляют себе тяжёлую свинцово-кислотную силовую махину, которую необходимо заменять каждые несколько лет. Но наши суждения о батареях кардинально изменятся уже в ближайшие год-два.
Новые технологии ориентированы на:
- снижение затрат разработки и производства,
- применение более доступных материалов,
- изменения в конструкции аккумуляторов,
- хранение большего количества энергии при тех же размерах,
- ускорение зарядки и улучшение характеристик,
- обеспечение лучшей безопасности.
