Несколько вариантов, чем можно заменить литий в аккумуляторах:
· Натрий. Натриево-ионные аккумуляторы экологичнее и дешевле литий-ионных, но вместе с низкой стоимостью ниже и их эффективность. Однако натрий в три раза тяжелее лития, поэтому натриево-ионные аккумуляторы также будут тяжелее.
· Железо. Батареи с использованием железа могут обладать лучшим окислительно-восстановительным потенциалом. Единственным ограничением является то, что они намного больше литиевых батарей.
· Кремний. Многие учёные считают, что кремний может улучшить батареи. В настоящее время в литий-ионных батареях используются аноды из графита, а кремний может заменить их.
· Магний. Батареи, изготовленные с применением магния, могут обладать более высокой плотностью энергии, большей стабильностью и более низкой стоимостью.
· Конопля. Растительные экологически чистые волокна могут стать ключевым компонентом более дешёвых, безопасных и менее вредных для окружающей среды аккумуляторов для электромобилей.
Выбор замены литию зависит от конкретных требований и задач.
******************************************************************************************
Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion) — тип электрического аккумулятора, который имеет близкие к литий-ионному аккумулятору энергетические характеристики, но стоимость применяемых в нём материалов значительно ниже (натрий примерно в 50 раз дешевле лития). Большим преимуществом натрий-ионных батарей является безвредность разряда до нуля, что делает более безопасной их перевозку и хранение
История
Разработка натрий-ионных аккумуляторов началась ещё в 1970-х годах, но литий-ионные батареи показались производителям более многообещающими[2].
Разработка этого типа аккумулятора шла необычно долго, с 1990-х, а серийный выпуск начался лишь в начале 2015 года (компания Aquion Energy выпустила первую Na-Ion батарею в формате батареи 18650)[ . Продолжение исследований швейцарскими учёными позволило в 2017 году получить значительно большую стабильность ёмкости по числу циклов заряд-разряд[
Трудность в замене лития более дешёвым натрием возникла из-за разницы размеров катионов натрия Na+ и лития Li+ — больший диаметр первых затруднял создание сепараторов.
В ноябре 2017 французская компания Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсировала новую улучшенную батарею формата 18650, имеющую напряжение 3,5 В, удельную ёмкость 90 Вт*ч/кг, количество циклов заряд-разряд более 2000 без существенной потери ёмкости, что соответствует примерно 10 годам эксплуатации
Натрий-ионная батарея для глобальной автоиндустрии (применения в электромобилях) впервые была представлена в июле 2021 года китайской компанией Contemporary Amperex Technology (CATL).
******************************************************************************************
Батареи с использованием железа вместо лития разрабатываются учёными, чтобы снизить стоимость и сделать производство аккумуляторов более экологичным.
В 2020 году исследователи из Индийского технологического института в Мадрасе создали железо-ионный аккумулятор, в котором анод выполнен из мягкой стали, а электролит — из эфира с растворённым в нём перхлоратором железа. Батарея выдержала порядка 150 циклов заряд-разряд, при этом после 50 циклов ёмкость аккумулятора сохранялась выше 54% от первоначального значения.
В 2024 году международная команда учёных решила заменить катод литий-ионной батареи на железный. Это четвёртый по распространённости в земной коре элемент, и его хватит надолго. Новый тип катода заменит более дорогие и редкие металлы — кобальт и никель, и откроет путь к производству более безопасных и дешёвых батарей с повышенной плотностью энергии.
Единственным ограничением батарей с использованием железа является то, что они намного больше литиевых батарей. Это означает, что их нельзя использовать в смартфонах, ноутбуках или электромобилях, но они могут хорошо работать в качестве практичного варианта стационарных накопителей энергии.
*****************************************************************************
Батареи с использованием кремния вместо лития называются кремний-углеродными аккумуляторами. В них вместо обычного графита на аноде используется материал с кремнием: чаще всего карбид кремния (Silicon Carbide, SiC), реже диоксид кремния (Silicon dioxide, SiO2).
Преимущества кремний-углеродных батарей:
· Высокая плотность энергии и ёмкость. Кремний может хранить в 10 раз больше ионов лития, что означает более длительную автономную работу от одного заряда.
· Повышенная безопасность. Батарея на основе кремния менее склонна к нагреву, перегреть её в процессе даже достаточно интенсивной зарядки — сложная задача.
Недостатки:
· Деградация. Из-за изменения объёма кремния во время зарядки и разрядки такие аноды быстро деградируют: материал растрескивается, теряется электрический контакт.
· Ограниченная мощность зарядки. Производители ограничивают мощность зарядки из соображений безопасности, так как быстрое изменение объёма кремния во время циклирования усложняет формирование стабильного защитного слоя.
· Высокая стоимость. Производство кремний-углеродных анодов сложнее и дороже, чем распространённых графитовых.
Например, компания Panasonic заключила соглашение с Sila Nanotechnologies, согласно которому в электромобилях будущего будут использоваться более эффективные и долговечные литий-ионные батареи, в которых графит заменяется кремнием
**************************************************************************************
Водные магниевые батареи — альтернатива литий-ионным аккумуляторам, в которых магний выступает в качестве активного агента для переноса заряда. Они могут работать в водной среде, что делает их подходящими для различных сложных гаджетов, включая аварийные системы и оборудование, требующее постоянного тока.
Принцип работы: магний служит анодом. При реакции с водой магний окисляется, освобождая электроны и образуя магний-гидроксид и водород. Освобождённые электроны движутся через внешнюю цепь к катоду, где происходит восстановительная реакция. Это создаёт электрический ток, который можно использовать для питания различных гаджетов.
Преимущества водных магниевых батарей:
· Эффективность: батареи данного типа могут функционировать до 20 дней до дополнительной подзарядки.
· Безопасность: водные магниевые батареи менее подвержены перегреву по сравнению с литий-ионными аккумуляторными батареями.
· Экологичность: магний — это обильный и безопасный материал, не вызывающий проблем с утилизацией, как у токсичных металлов из состава литий-ионных аккумуляторных батарей.
· Высокая плотность энергии: они имеют высокий энергозапас, что делает их конкурентоспособными даже для устройств с высоким энергопотреблением.
В декабре 2024 года стало известно, что учёные Университета Ватерлоо в Канаде разработали электролит, в котором магниевый анод работает эффективно — прототип вырабатывает напряжение 3 вольта.
Мощь земли: конопляные батареи лучше литиевых?
Как известно, легендарный автомобиль Ford Model T работал на биотопливе, созданном на основе конопли, а также включал биополимерные материалы, разработанные с применением этого растения. Сегодня на смену машинам с ДВС приходят современные электрокары с батареями. А недавно было выяснено, что элементы питания, созданные из конопли, демонстрируют в целых 8 раз больше эффективности, чем литий–ионные.
Исследователь Роберт Мюррей Смит разместил на своем YouTube–канале эксперимент, в ходе наглядно показал высокую производительность конопляной батареи.
Еще в 2014 году американские ученые обнаружили, что отработанные волокна конопляных культур могут быть превращены в «сверхбыстрые» суперконденсаторы, которые «лучше, чем графен». Напомним, что графен — это синтетический углеродный материал, более легкий, чем фольга, но при этом пуленепробиваемый. При этом его производство чрезвычайно дорого. Конопляный аналог не просто лучше по производительности, но и в тысячу раз дешевле.
С помощью гидротермального синтеза ученые преобразовали остатки лубяного волокна конопли в углеродные наноленты.
«Люди интересуются: почему конопля? Я отвечаю: почему бы и нет? — говорит доктор Дэвид Митлин из Университета Кларксон (Нью–Йорк) в интервью «Би–Би–Си». — Мы создаем графеноподобные материалы за одну тысячную цены — и при этом из отходов!».
Команда доктора Митлина переработала волокна в суперконденсаторы, идеально подходящие для машин, требующих резких скачков мощности.
В конце 2018 года компания по производству электрических мотоциклов Alternet (Техас) объявила, что сотрудничает с Mitlin для оснащения продукции своей дочерней компании ReVolt Electric Motorbikes.
Давно было известно, что биотопливо из конопли является отличной альтернативой традиционному. Теперь выяснилось, что растение также полезно и для производства батарей и избавляет от необходимости добывать литий, нанося вред экологии.
Источник https://www.gismeteo.ru/news/nature/moshh-zemli-konoplyanye-...
*************************************************************************************
Новая протонная батарея превосходит классические литиевые элементы
Учёные создали протонную батарею с более длительным сроком службы, быстрой зарядкой и устойчивостью к низким температурам, используя современный органический материал TABQ. Это решение потенциально может изменить будущее хранения энергии в промышленном масштабе.
Учёные из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее совершили значительный прорыв в технологии хранения энергии, создав протонную батарею, в которой используются протоны вместо традиционных ионов лития.
Благодаря использованию инновационного органического материала тетрааминобензохинон (TABQ) она обеспечивает высокую производительность, долговечность и стабильность даже в экстремальных условиях.
Как подчеркнул проф. Чуан Чжао, новый материал TABQ позволяет эффективно хранить энергию и быстро транспортировать протоны: «Мы создали современный высокоёмкий материал, позволяющий сохранять протоны с высокой эффективностью».
Протонная батарея с 3500 полными циклами зарядки
Новая протонная батарея выдерживает до 3500 циклов полной зарядки и разрядки, что является значительным шагом вперёд по сравнению с традиционными литийионными элементами, которые обычно теряют свою полезность примерно через 500 циклов.
Кроме того, аккумулятор хорошо работает при экстремально низких температурах, что делает его ценным решением в условиях долгих зим или постоянных холодов.
Ключевой элемент TABQ, тетрааминобензахинон – это органическое соединение, полученное в результате модификации тетрахлорбензохинона (TCBQ), в котором атомы хлора заменены аминогруппами. Благодаря этому изменению TABQ обладает лучшими свойствами хранения протонов, увеличивается ёмкость и срок службы батареи.
Доктор Сыченг Ву из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее добавляет:
«Литий — ограниченное сырьё, ресурсы которого неравномерно распределены по нашей планете. Кроме того, у литиевых элементов есть проблемы с быстрой зарядкой, безопасностью и эффективностью в зимних условиях».
Протонные батареи представляют собой привлекательную альтернативу, поскольку в них используются протоны, которых много в природе, и они более безопасны для окружающей среды. Протоны также имеют наименьший радиус и массу среди всех элементов, что даёт более быструю транспортировку ионов и высокую плотность энергии.
Протонная батарея с TABQ в качестве анода обладает впечатляющими свойствами хранения энергии, а также более низким окислительно-восстановительным потенциалом, чем предыдущие органические материалы. Благодаря этим свойствам можно добиться длительного срока службы и высокой производительности.
Испытания прототипа подтвердили, что элемент работает без проблем и компромиссов в производительности. Эксперты указывают, что такая батарея может стать прорывным решением для различных секторов, в том числе для крупномасштабных систем хранения энергии.
Это имеет важное значение для лучшей интеграции возобновляемых источников энергии в электросети. Такие протонные батареи позволят эффективно хранить избыточную энергию высокой производительности и высвобождать во время пикового спроса.
*****************************************************************************************
В январе 2025 года сингапурская компания Flint разработала биоразлагаемые бумажные батареи. Они были представлены на выставке CES 2025 в Лас-Вегасе.
Особенности батарей Flint:
Состав бумажных батарей Flint из Сингапура включает гидрогелевое кольцо, которое выполняет функции сепаратора и электролита в листе бумаги. Токсичные материалы, такие как литий и кобальт, заменены на безопасные — цинк и марганец.
- Биоразлагаемость. В течение шести недель после утилизации в почву батареи полностью разлагаются, не оставляя токсичных остатков.
- Безопасность. Батареи прошли испытания на устойчивость к физическим повреждениям, включая порезы, проколы и изгибы, что минимизирует риск возгорания или утечки.
- Ёмкость. Она составляет 600 миллиампер-часов на единицу, что подходит для различных потребительских и промышленных нужд.
- Себестоимость. Производственные затраты на бумажные батареи составляют всего 10% от стоимости литий-ионных аккумуляторов.
Flint намерена начать выпуск на заводе в Сингапуре и открыть производственные предприятия в Китае, Индии, США и Вьетнаме. Первые бумажные батареи будут доступны на рынке к концу 2025 года.