Твердотельные батареи должны появиться в ближайшие годы
Представьте себе следующее: в настоящее время проходит тестирование технология, которая, будучи выпущенной на публику, станет долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что мы имеем сейчас на рынке. Это повлияет на то, что мы считаем обыденным — электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны — и то, что мы считаем исключительным — медицинские приборы, космические корабли и инновационные конструкции новых транспортных средств, необходимые для того, чтобы отучить нас от ископаемого топлива. Мы знали об этой технологии веками, но до сих пор нам удавалось делать лишь небольшие шаги к ее созданию. Миллиарды долларов вливаются в исследования, и еще миллиарды будут сделаны, как только технология будет усовершенствована и выпущена.
Это описание может звучать очень похоже на описание термоядерной энергии. Однако на самом деле речь идет о грядущих инновациях в области аккумуляторной техники — в частности, о твердотельных батареях. И хотя как термоядерная энергия, так и твердотельные батареи были названы технологиями будущего, но никогда не сегодняшнего дня, достижения и инвестиции в твердотельные материалы значительно возросли за эти годы. Сегодня не только есть много крупных компаний и заслуживающих доверия исследователей, но и кажется, что мы, наконец, можем начать выпускать эти батареи всего через несколько лет.
Что 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. Наш электрический ток возникает, когда электроны передаются от одного электрода к другому. В этом случае электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль двух электродов состоит в том, чтобы производить наш электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это уравновешивает поток электронов. Наконец, сепаратор удерживает два электрода друг от друга и предотвращает короткое замыкание батареи.
Есть одно важное различие между нашими нынешними батареями и твердотельными батареями будущего: электролит. Современные литий-ионные аккумуляторы имеют жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, способствуют росту кристаллических структур, известных как дендриты. Дендриты производят длинные, острые усы, которые могут проколоть сепаратор и вызвать короткое замыкание, что, следовательно, приводит к опасным взрывам. Как следует из их названия, твердотельные батареи имеют твердый электролит, который подавляет рост этих вредных дендритов. Не говоря уже о том, что происходит нечто поразительное, как только электролит переходит из жидкого состояния в твердое.
Аккумулятор имеет более высокую плотность энергии, значительно снижается риск пожаров и взрывов, занимает меньше места и способен работать в более широком диапазоне температур. Давайте посмотрим, например, что это будет означать для транспортных средств.
Безусловно, самым большим недостатком электромобилей сегодня является их ограниченная дальность движения. Средний электромобиль получит дальность 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 использует стандартную розетку дома. Тем не менее, ожидается, что электромобили будут продолжать расти в популярности, в конечном итоге доминируя в автомобильном секторе. Чтобы достичь этой точки, им нужно будет расширить свой радиус действия по крайней мере до 450 миль (724 км), оставаясь при этом доступными для потребителя.
Давайте теперь представим твердотельную батарею.
Дальность движения электромобилей становится вдвое или втрое больше текущего числа. Компании могут выбирать между тем, чтобы сделать меньшую, более легкую батарею, которая заряжается быстрее, или оставить батарею того же размера с гораздо более широким диапазоном. Время зарядки также сокращается до 15 минут. Если мы посмотрим на достижения Samsung в области твердотельных аккумуляторов, то увидим, что они смогли разработать аккумулятор, который можно заряжать и разряжать более 1000 раз с дальностью действия 500 миль (805 км) за заряд. Это время автономной работы в 500 000 миль. И все это при том, что он способен эффективно работать при более экстремальных температурах.
Что-то подобное могло бы стать концом газовых автомобилей. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что устройства могут работать несколько дней на одном (очень быстром) заряде, а общий срок службы батареи увеличивается всего с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными, а больший температурный диапазон 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 вложили миллиарды долларов в исследования твердого тела. Компания, поддерживаемая Биллом Гейтсом, известная как QuantumScape, сделала твердотельные батареи со слоями керамики, которые устойчивы к росту дендритов и способны работать при более низких температурах. Toyota планирует ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв исходит от кого-то, о ком вы, вероятно, никогда не слышали.
Исследовательская группа во главе с физиком Джоном Гуденоу подала патент на стеклянную и керамическую твердотельную батарею, которая является стабильной, негорючей, обеспечивает более быструю зарядку и обладает в 3 раза большим запасом энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Это было достигнуто путем добавления натрия или лития для образования электрода в батарее. Не менее важно и то, что батарея доступна по цене и, по оценкам, рассчитана на более чем 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур стеклянной батареи составляет от-4 ° F до 140 ° F (от-20 ° C до 60 ° C).
Сам Гуденаф-не обычный ученый. Он получил 8 научных премий, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы вашего компьютера. Его участие — наряду с участием многих крупных конкурирующих компаний — сделало твердотельную батарею вполне доступной для нас. Мы можем начать видеть ограниченный выпуск этой технологии всего через 3 или 4 года, хотя трудно сказать, когда она достигнет более широкого распространения среди общественности.
Батарея представляет собой гораздо больше, чем просто удобство. Он представляет собой ключевой элемент в спасении мира. Более мощные электромобили могут обеспечить радикальный сдвиг на автомобильном рынке — сдвиг от более тяжелых газовых автомобилей с выбросами. Твердотельные батареи также могут быть изготовлены из экологически чистых материалов, таких как тот самый натрий, который содержится в нашей обильной океанской воде. Но, возможно, больше 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 всегда должна оставаться технологией будущего, но может быть технологией сегодняшнего дня.