Главной новостью уходящей недели стало заявление китайских инженеров о разработке так называемого "водяного" аккумулятора, готового выдержать более 120.000 зарядок. Результаты эксперимента созданной модели аккумулятора были опубликованы в известных изданиях Nature Communications и South China Morning Post. Исходя из описания батареи, в ней использовался раствор, схожий с рассолом для приготовления любимого азиатского соевого творога тофу, а литий заменили на магний и кальций.
Группа исследователей сразу двух китайских университетов: Городского университета Гонконга и Южного университета науки и технологий, представили образец экологически чистой батарейки. В этом элементе питания они использовали раствор, похожий на рассол для приготовления соевого творога тофу.
Главным техническим достижением созданной батареи является количество циклов зарядки, которое она может выдержать. По словам команды, батарею можно заряжать более 120.000 раз, прежде чем она утратит свои функциональные качества.
С одной стороны, такая производительность говорит о высоком уровне безопасности батареи - она не является легковоспламеняемым элементом. С другой стороны, её экологичность может оказаться весьма условной. Если она всё таки поступит в производство, то мы получим дешёвые смартфоны, электромобили и, возможно, даже дешёвую криптовалюту.
Давайте более детально рассмотрим все плюсы и минусы этой "экологичной", "водяной" батареи.
Проблемы безопасности и долговечности.
Главной проблемой литий-ионных батарей остаётся их пожароопасность. Они легко воспламеняются при повреждениях. Случаев воспламенения таких батарей довольно много. Причём горят не только смартфоны, но и электросамокаты, и даже дорогие электромобили Tesla. Как известно, потушить литий-ионный аккумулятор просто невозможно. Поэтому для "тушения" загоревшейся Tesla рекомендуется просто поместить электрокар в резервуар с 10 кубометрами воды. Только потом не понятно, как утилизировать эти 10 тонн загрязнённой воды и сам элемент питания машины. Здесь мы переходим ко второму вопросу - экологичности.
Другой проблемой литиевых батарей является их утилизация. Литий-ионные батареи с гелевым электролитом, которые используются в смартфонах Apple и Google, или твердотельные литиевые батареи, которые ещё называют кремний-углеродными, опасны для окружающей среды. Технология переработки литиевых аккумуляторов с использованиям газированной воды (обзор), которую предложили опять-таки китайские инженеры, ещё не масштабирована, а перерабатывать батареи надо уже сейчас. К сожалению, сегодняшние элементы питания быстро выходят из строя. В среднем они готовы выдержать от 1000 до 3000 циклов зарядки.
Как показали исследования, батареи на водной основе (или водяные батареи) значительно безопаснее. Они по своей природе не воспламеняются и содержат мало токсичных материалов, если содержат. Такой тип батарей давно известен, но их возможность использования не воспринималась всерьёз из-за низкой плотности энергии и малого числа циклов зарядки. Незначительное число циклов зарядки связано с тем, что водный раствор при определенных напряжениях быстро разрушается.
Тем не менее, такие батареи намного проще и безопаснее утилизировать. Их производство требует менее редких материалов, а значит они должны быть дешевле литиевых.
Китайские учёные снова всё изменили.
Забавно. Но решение лежало буквально в холодильнике каждого китайца. Это их любимый соевый творог или сыр тофу.
Первым делом китайские инженеры решили использовать не ионы лития, а более дешёвых материалов - магния и кальция (двухвалентные ионы Mg2+ и Ca2+). Затем, в качестве электролита был выбран нейтральный раствор (аналог рассола для тофу) с показателем рН=7,0. Напомню, что если этот показатель меньше 7, то среда считается кислой, а если больше 7, то щелочной. Например, для лимонного сока pH = 3, а для морской воды pH = 8.
В результате, новая батарея оказалась способной выдержать более 120.000 циклов зарядки. Такая характеристика является огромным скачком качества элемента питания. Для справки, батареи смартфонов обычно рассчитаны на 800 циклов, аккумуляторы электромобилей - от 1500 до 3000 циклов зарядки.
Что касаемо спецификаций созданной батареи, то по словам разработчиков, ёмкость созданной ячейки составила 112,8 мАч, а 120.000 циклов зарядки были стабильными при удельном токе 20 А. Удельная энергия такой батареи (количество энергии, которое электрохимическая система способна накопить в расчёте на единицу массы) составила 48,3 Вт·ч/кг, это характерно для аккумуляторной ячейки с рабочим напряжением 2,2 В. Для сравнения, литий-ионные батареи обладают удельной энергией 50–260 Вт·ч/кг. Иными словами, уже сейчас водяной батарейкой можно заменить некоторые литиевые.
От прототипа к промышленному производству.
На мой взгляд, производство таких батарей возможно только в Китае. Весь остальной мир откажется, опасаясь разрушения не только индустрии производства литиевых батареи, но и смены тех же смартфонов типа iPhone, Pixel или Samsung Galaxy, батареи которых быстро выходят из строя, вынуждая пользователей чаще менять смартфоны или аккумуляторы в них.
А в Китае это актуально. Водяная батарейка может прослужить не менее десяти лет или около того. Если китайцы додумаются использовать их, как резервуары для накопления солнечной энергии или энергии ветра от своих летающих ветряков (обзор), то они решат многие энергетические вопросы в сельскохозяйственных районах, выращивающих те же огурцы для наших магазинов.
Также китайские производители смартфонов могут перейти на эти более дешёвые и экологичные элементы питания, а значит станут ещё дешевле и доступнее. То же самое касается и электромобилей, что ускорит отказ от бензиновых.
Ещё такие аккумуляторы очень удобно было бы использовать в беспилотниках, как военного, так и гражданского назначения. В Китае бум производства роботов-гуманоидов. Для них тоже нужны аккумуляторы, как и для систем центра обработки данных: сразу бы цифровая монета подешевела, а может быть вообще криптовалюты утратили бы смысл своего существования.
Посмотрим, насколько дешёвым окажется сам цикл производства таких батарей и как быстро Китай введёт их в эксплуатацию.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.