Представьте себе следующее: существует технология, которая в настоящее время проходит испытания и которая, будучи выпущенной на рынок, станет долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что мы имеем сейчас на рынке. Она затронет то, что мы считаем обыденным - электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны - и то, что мы считаем исключительным - медицинские приборы, космические корабли и новые инновационные конструкции транспортных средств, необходимые для того, чтобы отучить нас от ископаемого топлива. Мы знаем об этой технологии уже много веков, но до сих пор нам удавалось делать лишь небольшие шаги на пути к ее созданию. Миллиарды долларов вливаются в исследования, и еще миллиарды будут вложены, когда технология будет доведена до совершенства и выпущена на рынок.
Это описание может показаться очень похожим на описание термоядерной энергии. Однако на самом деле речь идет о предстоящих инновациях в области аккумуляторных технологий - в частности, о твердотельных батареях. И хотя и термоядерная энергия, и твердотельные батареи были названы технологиями будущего, но никак не сегодняшнего дня, за прошедшие годы прогресс и инвестиции в твердотельные материалы значительно возросли. Сегодня не только существует множество крупных компаний и авторитетных исследователей, но и, похоже, в ближайшие несколько лет мы наконец-то сможем увидеть эти батареи.
Чего мы можем ожидать, когда эта неуловимая, преобразующая технология будет наконец готова к массовому производству?
Батареи - это не что иное, как устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Они состоят из четырех основных частей: катода, анода, электролита и сепаратора. Катод и анод - это электроды. Электрический ток образуется, когда электроны переходят от одного электрода к другому. В данном случае электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль двух электродов заключается в производстве электрического тока. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это уравновешивает поток электронов. Наконец, сепаратор удерживает два электрода на расстоянии друг от друга и предотвращает короткое замыкание.
Есть одно важное различие между нашими нынешними батареями и твердотельными батареями будущего: электролит. Современные литий-ионные батареи имеют жидкий электролит. К сожалению, определенные соединения, присутствующие в жидком электролите, позволяют расти кристаллическим структурам, известным как дендриты. Дендриты образуют длинные, острые усы, которые могут пробить сепаратор и вызвать короткое замыкание, что впоследствии приводит к опасным взрывам. Как следует из названия, твердотельные батареи имеют твердый электролит, который препятствует росту этих вредных дендритов. Не говоря уже о том, что при переходе от жидкого электролита к твердому происходит нечто поразительное.
Батарея имеет более высокую плотность энергии, риск возгорания и взрыва значительно снижается, она занимает меньше места и может работать в более широком диапазоне температур. Рассмотрим, например, что это означает для автомобилей.
На сегодняшний день самым большим недостатком электромобилей является ограниченный запас хода. Средний электромобиль имеет запас хода 250-300 миль (402-483 км) на полной зарядке. Полная зарядка автомобиля занимает от часа до 17 часов в зависимости от того, заряжается ли автомобиль на станции или от стандартной розетки дома. Тем не менее, ожидается, что популярность электромобилей будет продолжать расти, и в конечном итоге они займут доминирующее положение в автомобильном секторе. Чтобы достичь этого, им необходимо увеличить запас хода как минимум до 450 миль (724 км), оставаясь при этом доступными для потребителя.
Теперь представим твердотельную батарею.
Запас хода электромобилей становится вдвое или втрое больше нынешнего. Компании могут выбирать между изготовлением более компактной и легкой батареи, которая заряжается быстрее, и оставлением батареи прежнего размера с гораздо большим запасом хода. Время зарядки также сокращается до 15 минут. Если мы посмотрим на достижения Samsung в области твердотельных батарей, то увидим, что они смогли разработать батарею, которую можно заряжать и разряжать более 1 000 раз с дальностью действия 500 миль (805 км) на одной зарядке. Это означает, что срок службы батареи составляет 500 000 миль. И все это при способности эффективно работать при более экстремальных температурах.
Нечто подобное может стать концом автомобилей, работающих на газе. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что устройства смогут работать несколько дней на одной (очень быстрой) зарядке, а общий срок службы батареи увеличится с 2 лет до 10. Медицинские приборы могут стать более портативными и компактными, а более широкий диапазон температур означает, что твердотельные батареи могут найти применение в будущих космических технологиях.
Этот потенциал не ускользнул от внимания влиятельных компаний. Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota и Билл Гейтс инвестировали миллиарды долларов в исследования твердотельных батарей. Компания QuantumScape, поддерживаемая Биллом Гейтсом, создала твердотельные батареи со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов и способными работать при более низких температурах. Toyota планирует ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными батареями к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв исходит от человека, о котором вы, вероятно, никогда не слышали.
Исследовательская группа под руководством физика Джона Гуденоу подала патент на твердотельную батарею из стекла и керамики, которая стабильна, не воспламеняется, обеспечивает более быструю зарядку и имеет в 3 раза больше энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Это было достигнуто путем добавления натрия или лития для формирования электрода в батарее. Не менее важно и то, что батарея доступна по цене и рассчитана на более чем 2 000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур для стеклянной батареи составляет от -4º F до 140º F (от -20º C до 60º C).
Сам Гуденаф - не обычный ученый. Он получил 8 научных наград, включая Нобелевскую премию по химии. Среди его прошлых инноваций, изменивших мир, - оригинальная литий-ионная батарея и оперативная память, необходимая для работы компьютера. Его участие - наряду с участием многих крупных конкурирующих компаний - сделало твердотельную батарею вполне доступной для нас. Возможно, уже через 3-4 года мы увидим ограниченный выпуск этой технологии, хотя трудно сказать, когда она станет общедоступной.
Батарея представляет собой нечто гораздо большее, чем просто удобство. Она представляет собой ключевой элемент в спасении мира. Более мощные электромобили могут обеспечить радикальный сдвиг на автомобильном рынке - отказ от газовых автомобилей с большим количеством вредных выбросов. Твердотельные батареи могут также производиться из экологически чистых материалов, таких как натрий, содержащийся в нашей океанской воде. Но, возможно, более всего появление твердотельных батарей будет представлять возможности наших самых блестящих умов: способность воплотить в жизнь технологию, о которой мы знали веками и мечтали десятилетиями. Она не должна навсегда остаться технологией будущего, а может стать технологией сегодняшнего дня.
