В данном случае имеем в виду любые батареи и батарейки, как источники тока, заряжаемые и нет, автомобильные и те, что никакого отношения к машинам не имеют. По своей химии и конструкции тут можно набрать не один десяток типов, а помимо того — кучу экзотики и всяких необычных экспериментов.
Глава 1. Горячая штучка
В начале 1990-х, в эпоху, когда коммерческие литий-ионные аккумуляторы только только появились в электронной технике (Sony), но до автомобилей ещё не добрались, автостроители экспериментировали с разными тяговыми батареями. Было понятно, что назревающая “вторая волна” серийных электрокаров, после всплеска интереса к ним в начале XX века, на одних свинцово-кислотных блоках не вытянет. Примечательный опыт в этом отношении — вэн Ford Ecostar — электрический доставочный фургончик, созданный американцами на основе европейской модели Escort Van Mk V.
В 1992 году фордовцы соорудили прототип со свинцово-кислотным аккумулятором и запасом хода всего 48 км, а в 1993 году построили около сотни Экостаров (по некоторым данным 105) с необычным для автопрома типом батареи — натрий-серной (относится к группе аккумуляторов на солевых расплавах).
Компания Ford разработала натрий-серные батареи ещё в 1960-х, но для этого проекта аккумуляторы создала немецкая ABB Group. В снаряжённой массе фургона 1406 кг тяговый аккумулятор занимал 354 кг. Однако, его ёмкость составляла приличные 37 кВт•ч, что даёт нам удельную величину 104,5 Вт•ч/кг (для аккумулятора в сборе) против 40-50 Вт•ч/кг у свинцово-кислотных батарей. Паспортный запас хода равнялся 160 км (если не включать кондиционер или отопитель). Впрочем, некоторые клиенты, которые опробовали эту машину, рассказывали, что проезжали и 185 км. А в одном из тестов удалось пройти 249 км.
Копус батареи представлял собой термос с вакуумированным зазором между стальными стенками, наполненным стекловолокном. Однако, даже при хорошей изоляции тепло постепенно уходило наружу, так что для поддержания рабочей температуры ячеек в 316 (!) градусов Цельсия требовалось постоянно тратить порядка 200 ватт мощности (в зависимости от температуры на улице). Это неудобно, если вам нужно оставлять машину без движения надолго, на несколько дней. При постоянных поездках и подзарядках это не проблема. Зато батарее глубоко наплевать на то, что происходит снаружи. Там хоть жара, хоть мороз.
Потенциально технология привлекательная. Для создания натрий-серной батареи нужны недорогие и распространённые вещества и материалы, а удельная ёмкость неплохая. (Батареи Экостаров были очень дорогими из-за экспериментального производства. Если бы их выпускали миллионами, цена бы упала.) Увы, у такого аккумулятора есть недостатки. Помимо малого срока службы (на тот момент во всяком случае) и необходимости постоянного подогрева “внутренностей”, это высокая пожароопасность. Даже в ходе данного эксперимента пара фургонов сгорела. Так что Ford забросил тему. И в целом автостроение как-то не сильно ею заинтересовалось (опыты с натрий-серными батареями проводил Mercedes-Benz). Но в других отраслях такие аккумуляторы встречаются.
Глава 2. Гигантские копилки и миниатюрная рекордсменка
Два полюса мира батарей попадают в одну главу, поскольку интересны именно размерами. Вспомним, что в тяговой батарее отдельные ячейки собраны в модули, а из нескольких модулей состоит уже весь аккумуляторный блок. Нечто подобное происходит и с большими стационарными накопителями. Физически они состоят из целого парка батарей, работающих согласованно. Так что могут считаться одной гигантской батареей.
Крупнейшая такая батарея — Edwards & Sanborn Solar Plus Storage Project, расположенная в Калифорнии, в округе Керн. Разработана и построена компанией Mortenson, а управляется фирмой Terra-Gen. Это установка, совмещающая солнечную генерацию с буферным накопителем на одной площадке в 4660 акров. Там установлены более 1,9 миллиона солнечных панелей мощностью 875 МВт и 120 720 аккумуляторных батарей (от LG Chem, Samsung и BYD) с общей ёмкостью 3287 МВт•ч. Мощность всей системы на пике — 1300 МВт, она питает 238 000 домов.
Однако, уже есть проект, который должен превзойти калифорнийский. В августе 2024 года американская компания Form Energy получила финансирование на строительство в штате Мэн самого крупного в мире батарейного накопителя с ёмкостью 8500 МВт•ч! А мощность этой “батарейки” составит 85 МВт, то есть при полной зарядке она сможет отдавать максимальную мощность в сеть в течение 100 часов.
Самое интересное тут даже не в размере. Эта мега-батарея будет использовать не литий-ионные ячейки, как в предыдущем случае и в большинстве подобных “копилок” электричества, а железо-воздушные аккумуляторы. Они работают за счёт обратимой ржавчины. При разряде такая батарея забирает кислород из окружающего воздуха и окисляет железо. При заряде она использует ток для восстановления чистого железа и выделяет кислород в воздух.
А вот учёные и инженеры из Массачусетского технологического института создали так называемые пиколитровые батареи, притом воздушно-цинковые (они дают ток при окислении цинка). У них получились квадратные батарейки с поперечником в 0,1 миллиметр и толщиной всего 0,002 миллиметра!
Научную работу, им посвящённую, они опубликовали в августе 2024-го. Гэ Чжан, Сунгюн Ян, Майкл Страно и другие авторы исследования считают, что эти батарейки пригодятся для микроскопических роботов или сенсоров. Пиколитровые аккумуляторы могут стать частью микро-ботов (коллоидных роботов), доставляющих лекарства внутрь тела человека, или проверяющих трубопроводы на предмет утечек.
Похожие проекты возникали и ранее, но этот учёные выделяют особо за сочетание микроскопического размера батареи с очень высокими (для данного размера) выходными параметрами и со способом массового производства, идентичного выпуску микросхем при помощи фотолитографии. На одной полупроводниковой пластине можно напечатать 10 000 батареек. Каждая батарейка имеет объём в два пиколитра. Она содержит 5,5-7,7 микроджоулей энергии, выдаёт напряжение в один вольт и мощность 2,7 нановатта, а удельная объёмная плотность достигает от 760 до 1070 ватт-часов на литр. Эти параметры удалось получить, поколдовав с сочетанием цинка, платины и особого полимера в составе батарейки. Во сколько раз такая батарейка меньше, чем гигабатарея Edwards & Sanborn Solar Plus Storage можете попробовать посчитать сами.
Глава 3. Пытающаяся скрыться невидимка
На многих электромобилях батареи интегрированы в силовую структуру. Их корпуса достаточно прочны, чтобы при соединении с другими элементами кузова повысить общую жёсткость конструкции. И эту идею можно развить дальше. Что если батареей будет сам кузов? Или некоторые его крупные части. Над так называемыми структурными батареями разные компании и университеты работают уже много лет. Эти аккумуляторы могут входить в состав многослойных сэндвич-панелей, одновременно хранить энергию и воспринимать силовые нагрузки.
В некоторых разработках несущими свойствами обладали даже электроды, встроенные в многослойную матрицу из углепластика и разных полимеров. По такому принципу уже создавались как опытные химические аккумуляторы, так и суперконденсаторы. Такие конструкции ещё называют безмассовыми батареями, так как сохранение электричества у них — только бонус к основной функции — быть частью кузова.
Несколько экспериментальных кузовных деталей из углепластика со встроенными суперконденсаторами компания Volvo вместе с партнёрами (технический университет Чалмерса, Имперский колледж Лондона) построила ещё в 2013-м. Их удельная ёмкость в один ватт-час на килограмм была совсем крошечная. Сравните со 140-260 Вт•ч/кг для тяговых литий-ионных аккумуляторов (на уровне всего блока, включая охлаждение и модуль управления). Но зато это были фактически “бесплатные” килограммы. В смысле, что не повышающие массу автомобиля. Потому направление получило развитие.
Дальнейшие опыты с безмассовыми батареями значительно улучшили их показатели. В том же университете Чалмерса в сентябре 2024 года продемонстрировали структурные батареи с удельной ёмкостью 30 Вт•ч/кг и модулем упругости в 70 гигапаскалей (втрое жёстче прошлых образцов), что позволяет их применять в силовой структуре кузова. Шведы использовали на этот раз литий-ионную химию. Вдобавок задействовали полутвёрдый электролит, а слои углеволокна тут сыграли и роль армирования, и роль токосъёмника как в аноде, так и катоде. Шведы создали компанию Sinonus, которая намерена коммерциализировать технологию. Авторы проекта считают, что электрокары значительно повысят пробег на зарядке, если многие детали кузова сделать из таких батарей. Структурными батареями занимаются и разработчики беспилотников, для которых низкий вес очень важен.
Глава 4. Высокоплотные лидеры
Куча компаний и исследовательских организаций работают над твердотельными батареями, которые являются подвидом литиевых и сулят более высокие удельные параметры, чем у нынешних массовых аккумуляторов. На уровне отдельных ячеек — от 250 до 900 Вт•ч/кг против 200-350 Вт•ч/кг у массовых литий-ионных. Такие уже ограниченно применяются в автомобильной отрасли и не только в ней. Есть и другие кандидаты на успех в ближайшем будущем. Скажем, ячейки литиево-серные (потенциально — 400-1000 Вт•ч/кг).
Но и литий-ионные аккумуляторы не сдаются. Так в прошлом году один из мировых гигантов по производству тяговых батарей, CATL, запустил в производство литий-ионные ячейки с удельной ёмкостью 500 Вт•ч/кг. В релизе китайцы постарались объяснить, как этого достигли: “Для решения проблем, связанных с изменениями материалов сверхвысокой плотности энергии в результате электрохимических реакций, конденсированная батарея CATL использует высокопроводящие биомиметические электролиты конденсированного состояния для создания самоадаптирующейся сетчатой структуры на микронном уровне, которая может регулировать интерактивные силы между цепями, тем самым улучшая проводящие характеристики ячеек и, в свою очередь, эффективность транспортировки ионов лития, одновременно повышая стабильность микроструктуры”.
В том же году исследователи из Института физики Китайской академии наук создали опытный литий-ионный аккумулятор с удельной вместимостью 711,3 Вт•ч/кг и объёмной плотностью энергии 1653,65 Вт•ч/л (сравните с 250-700 Вт•ч/л у распространённых сейчас литиевых батарей и порядка 1000 Вт•ч/л у перспективных твердотельных ячеек). Авторы разработки использовали богатые литием оксиды на основе марганца, сверхтонкий металлический литий в качестве отрицательного электрода, оптимизированные электролиты и сверхтонкие коллекторы тока. В общем, выжали из “литиевой химии” всё, что смогли. До серийного воплощения чего-то похожего ещё пройдёт время.
Глава 5. Жестокая история
Батареи, использующие в работе органические вещества, называют биобатареями. А самым ранним и очень необычным примером биобатареи является лягушачья батарея, состоящая из нескольких мёртвых лягушек (иногда живых) или их частей (лапок). Первую такую батарею из десяти лягушек построил итальянский физик Эусебио Валли в 1790 годах. И их продолжали создавать даже в XIX веке с целью изучения природы электричества.
Тогда принцип работы подобной батареи сами экспериментаторы понимали плохо, принципиально отделяя “животное электричество” от “металлического” (опыты с Вольтовым столбом и подобные им). На деле батарея создавала напряжение за счёт “потенциала повреждения”, возникающего в мышечной ткани при её рассечении. Тут стоит вспомнить опыты Луиджи Гальвани с лягушками и его научные работы, посвящённые “силам электричества при мышечном движении”. Однако, Луиджи сосредоточился на реакции мышечной ткани на подводимый ток, тогда как в лягушачьей батарее мышцы сами были источником тока, пусть и слабого.
Глава 6. Самая сладкая батарея
Современные биобатареи не полагаются на лягушек. Например, с середины 2000-х учёные работают над сахарными батареями, которые используют кислород из воздуха для окисления глюкозного звена мальтодекстрина. Такую разработку вела компания Sony в 2007-2012 годах, а позже тему подхватили исследовательские группы в США и Китае.
У всех нашлись свои подходы к решению задачи, но интересна тут эффективность. Учёные говорят, что подобрав несколько ферментов (в роли катализаторов), можно выстроить такую цепочку реакций, чтобы большую часть энергии полисахаридов обращать в электрический ток. По сути такие батарейки — специфический вид топливных элементов, которые питаются не водородом или спиртом, а разными сахарами (в виде раствора). Удельную ёмкость таких уствройств экспериментаторы оценивают на уровне 300 Вт•ч/кг. В общем, электромобили, работающие на сиропе, вполне можно создавать.
