Наше экологически чистое будущее зависит от аккумуляторов, начиная от питания наших портативных устройств, зарядки наших электромобилей и даже хранения возобновляемой энергии, которая поможет нам держать свет включенным, когда ветер не дует и солнце не светит. Это все хорошо, но используемые нами в настоящее время литий-ионные аккумуляторы совсем не экологичны. На самом деле, эти аккумуляторы оказывают ужасающее воздействие на планету, от уничтожения сред обитания до отравления экосистем и даже стимулирования ужасного детского труда. Более того, эти дорогостоящие аккумуляторы служат всего несколько лет, прежде чем они деградируют и их приходится выбрасывать, что означает, что мы вынуждены принимать менталитет мясорубки, чтобы удовлетворить потребности планеты в аккумуляторах. К счастью, группа гениальных исследователей, возможно, нашла почти идеальное решение: аккумулятор на ионах кислорода!
Прежде чем начать, я чувствую обязанность заявить, что, несмотря на недостатки литий-ионных аккумуляторов, использование этих аккумуляторов для электромобилей и хранения возобновляемой энергии все же лучше для планеты, чем любая энергия, получаемая из ископаемого топлива. Этого просто недостаточно, чтобы мы достигли истинной устойчивости — по крайней мере, пока еще нет.
Теперь, когда это сказано, нам сначала нужно понять, почему литий-ионные аккумуляторы деградируют и как они вредят планете. Начнем с деградации. Каждый раз, когда литий-ионный аккумулятор заряжается и разряжается, немного лития выходит из механизма аккумулятора, оседая на электродах, что делает его «недоступным». Литий является той частью этих аккумуляторов, которая хранит энергию, поэтому такая недоступность снижает общую эффективность аккумулятора, пока ячейка не станет бесполезной. Различные конструкции литий-ионных ячеек имеют разную устойчивость к этому процессу и, следовательно, разные сроки службы при циклических зарядах, что означает, что некоторые ячейки могут выдержать до 2500 зарядов, а некоторые — только около 500 зарядов.
Так почему же литий-ионные аккумуляторы не очень экологичны? Все дело в материалах, необходимых для их изготовления. Для изготовления литий-ионного аккумулятора с относительно быстрыми временами зарядки и достаточно высокой энергетической плотностью вам нужно использовать электроды из никеля, марганца и кобальта. Эти металлы, особенно кобальт и марганец, не изобилуют в земной коре, что требует интенсивных горнодобывающих практик для их добычи. Это приводит к вымыванию тяжелых металлов в водные ресурсы и окружающую среду, что отравляет их. Более того, самый дешевый источник этих металлов, особенно кобальта, находится в развивающихся странах. Там детский труд используется для добычи руды в ужасающе опасных условиях, что ставит под сомнение моральность добычи материалов, необходимых для изготовления этих аккумуляторов. Кроме того, сборка литий-ионных аккумуляторов требует много энергии, что в сочетании с интенсивной добычей и переработкой приводит к высокому углеродному следу их производства.
Итак, каково решение? Ученые из Технического университета Вены создали аккумулятор, который использует обильные, менее вредные для окружающей среды материалы, которые пополняют свой ионный источник из воздуха! Дайте мне объяснить.
Этот аккумулятор называется кислород-ионным. Он использует керамические материалы для электродов, которые могут поглощать и высвобождать дважды отрицательно заряженные ионы кислорода. Эти керамики довольно уникальны тем, что основаны на перовскитных кристаллах, которые также используются в некоторых солнечных панелях (подробнее здесь) и являются негорючими. Но более важно, когда вы подаете электрический ток через эту керамику, ионы кислорода перемещаются от одного керамического электрода к другому, что заряжает аккумулятор. Для разряда ионы перемещаются обратно к другому электроду, что проталкивает электроны через подключенную цепь, питая ее.
Эти керамики изготовлены из очень доступных материалов, что делает их невероятно дешевыми и чрезвычайно экологичными. Фактически, солнечные панели на основе перовскита, которые используют очень похожие материалы, также используют это свойство для минимального воздействия на наш ценный мир и наши кошельки, а также являются многообещающим прорывом в солнечной энергетике. Как бонус, поскольку эти материалы не воспламеняются, нет никакого риска взрыва или возгорания этого аккумулятора, что является значительной проблемой для литий-ионных ячеек.
Как и литий-ионные, этот элемент также теряет немного кислорода каждый раз, когда заряжается или разряжается. Но в отличие от литий-ионных аккумуляторов, они могут пополнять этот запас. Вы видите, кислород в атмосфере диффундирует в элемент, поддерживая уровень ионов кислорода, независимо от обстоятельств. Это означает, что аккумулятор не может умереть от деградации и, теоретически, мог бы быть бессмертным! На практике это не так, поскольку другие неисправности могут успешно уничтожить аккумулятор, например, трещины в керамике.
Так что благодаря своим простым материалам и способности поглощать кислород, эти аккумуляторы гораздо дешевле, безопаснее и экологичнее, чем литий-ионные. Означает ли это, что мы скоро будем ездить на недорогих, но дальнобойных электромобилях с минимальным воздействием на окружающую среду? Не было бы это замечательно?
К сожалению, у этого аккумулятора есть несколько недостатков, которые не позволяют ему начать такую революцию. Во-первых, он обладает всего 30% энергетической плотностью литий-ионных, около 140 Вт·ч/л, что означает, что автомобиль на кислород-ионных батареях будет иметь очень маленький запас хода. Но возможно, более тревожной является его рабочая температура от 350°C (662°F) до 500°C (932°F)! Это сделало бы его использование в электромобилях абсолютно непрактичным и очень энергоемким.
Но этот аккумулятор все же может найти применение в хранении возобновляемой энергии. Низкая энергетическая плотность не является проблемой в этом случае, а низкая стоимость, малое воздействие на окружающую среду и высокие стандарты безопасности по-прежнему остаются превосходными! Но как решить проблему с температурой? У нас есть так называемые тепловые батареи, которые хранят возобновляемую энергию в виде тепла в высокоизолированных контейнерах, содержащих песок. Внутри температура может достигать до 600°C (1112°F), что означает, что гибридный тепловой кислород-ионный аккумулятор мог бы быть блестящим вариантом для сверхдешевого и масштабируемого хранения возобновляемой энергии.
Так что нет, кислород-ионные аккумуляторы не преобразят мир электромобилей, но они, или по крайней мере технология, которая их поддерживает, решат многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся при хранении энергии на уровне сети, и революционизируют способы расширения возобновляемой энергии. Как таковые, у них есть потенциал помочь нам избавиться от ископаемого топлива и даже спасти планету. Но кто знает? Может быть, через несколько лет они изобретут вариант с низкой температурой и высокой энергетической плотностью, который сможет подарить нам бессмертный автомобиль! Даже если это не случится, это очередной шаг вперед, который может помочь нам избежать нашего самосозданного апокалипсиса.
Понравилась статья? Хотите получать мои статьи на 24 часа раньше всех и другие бонусы? Тогда перейдите на мою страницу Patreon здесь. Или ознакомьтесь с моей последней книгой «50 способов спасти мир» на Amazon здесь.