Перспективы развития литиевых аккумуляторов

Самые значимые достижения 2020 года в разработке аккумуляторов

Уже через несколько лет традиционные литий-ионные батареи будут не актуальны с их нынешними характеристиками. В прошедшем году ученые предлагали самые разные способы улучшить аккумуляторы, сделав их мощнее, экономичнее и эффективнее.

Безопасный металлический литий

Один из самых перспективных новых материалов — металлический литий. Его использование в качестве анода может серьезно повысить плотность аккумулятора и продлить срок его службы. Но металлический литий небезопасен: при зарядке на аноде формируются наросты (дендриты), что ведет к коротким замыканиям и возгоранию — не очень привлекательная перспектива.

Ученые из Вашингтонского государственного университета предложили добавить несколько химикатов в раствор катода и электролита. Благодаря этому на поверхности анода образовался защитный слой и анод смог оставаться стабильным при зарядке в течение 500 циклов. Плюс технологии — возможность ее интеграции в существующие производственные процессы.

Аккумулятор с ультразвуком

Весьма творчески подошли к решению проблемы с металлическим литием ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они разработали миниатюрное ультразвуковое устройство и включили его в литий-металлическую батарею. Устройство посылает высокочастотные звуковые волны через жидкий электролит, заставляя его плавно течь, а не оставаться в статике.

Это, в свою очередь, приводит к равномерному распределению лития на аноде и дендриты не нарастают. При тестировании аккумулятор с новым оборудованием заряжался с 0 до 100% всего за 10 минут и продержался 250 циклов зарядки.

Самые быстрые электроды в мире

Специалисты французского стартапа Nawa Technologies решили изменить структуру электродов в обычных литий-ионных батареях — их мощность значительно увеличилась. Вместо беспорядочной структуры, требующей, чтобы заряженные ионы перемещались по лабиринту, разработчики предложили электрод, который состоит из вертикально выровненной структуры, напоминающей щетку для волос, с высокопроводящими углеродными нанотрубками.

По сути, это создает скоростную трассу для перемещающихся ионов и позволяет увеличить скорость заряда батареи в 10 раз — пополнение аккумулятора от 0 до 80% происходит всего за 5 минут. Срок службы вырастает в 5 раз, а плотность энергии увеличивается трехкратно.

Нанонити для увеличения емкости

Российские учёные из МИЭТ разработали нанонити, которые способны увеличить емкость батарей в 3 раза, а тепловые потери в процессе работы благодаря им можно обратить в электричество.

По замыслу ученых, нанонити из германия могут заменить графитовые электроды в современных батареях. Емкость их при этом повысится, а размеры не изменятся.

Кремний может хранить в четыре раза больше ионов лития, чем современные графит и медь, но емкость батарей быстро уменьшается. Ученые из Кореи нашли метод этого избежать. Кремниевый анод поместили в специальный раствор, который заставляет электроны и ионы лития просачиваться в электрод — так компенсируются потери.

Обычно аноды на основе кремния теряют более 20% ионов лития во время зарядки, а новый анод потерял менее 1%. Также его плотность энергии на 25% выше, чем коммерчески доступные аналоги.

Натрий-ионные аккумуляторы из пластиковых бутылок

Еще один вид аккумуляторов с большим потенциалом — это натрий-ионные. Ученые из Университета Пердью использовали обычные пластиковые отходы для создания ключевого компонента такой батареи.

Для превращения пластика в хлопья они применили стандартную микроволновую технологию, обработав его сверхбыстрым микроволновым излучением. В результате ученые получили терефталат натрия, известный своими хорошими электрохимическими характеристиками и пригодный для производства натрий-ионной батареи.

Электроды из панцирей креветок

Хитин, содержащийся в панцирях креветок, в Массачусетском технологического институте использовали для производства экологически безопасного электрода для проточной батареи. Вместо того, чтобы хранить энергию внутри самого аккумулятора, такие батареи хранят энергию в жидких электролитах в огромных внешних резервуарах, которые при необходимости можно просто увеличить.

Ученые решили сделать ключевой строительный блок этих батарей из экологически чистых материалов. Для производства электродов для проточной батареи они взяли хитин из панцирей креветок в сочетании с войлоком. Кроме высоких показателей удельной мощности такой батареи, у нее есть еще преимущество — низкая стоимость исходного материала.

Самый прочный электролит в мире

Еще один пример твердотельной батареи с впечатляющей долговечностью — изобретение исследователей из Университета Брауна. Они утверждают, что, добавив графен в керамический материал, сделали самый прочный твердый электролит на свете.

Что любопытно, графен обладает высокой проводимостью, а это как раз нежелательно для электролита батареи. Но, поддерживая концентрацию графена на достаточно низком уровне, ученые смогли найти золотую середину, которая не позволяла графену проводить электричество, но при этом обладала высочайшей прочностью.

Жидкометаллическая батарея, работающая при комнатной температуре

Обычно в жидкометаллических аккумуляторах металлы нужно нагревать до температуры не менее 240 °C. Но экспериментальная полностью жидкометаллическая батарея способна работать при комнатной температуре и по характеристикам гораздо лучше литий-ионных аккумуляторов.

В ней ученые из Техасского университета в Остине использовали сплавы, способные оставаться жидкими при комнатной температуре. Такая батарея имеет более высокую мощность, чем литий-ионная, и гораздо быстрее заряжается.

Новое покрытие для старой батареи

В Аргоннской Национальной Лаборатории нашли способ продлить срок службы привычных литий-ионных аккумуляторов — для этого использовали инновационное катодное покрытие из полимера PEDOT.

Благодаря такому покрытию традиционные аккумуляторы становятся безопаснее, так как не образуется нежелательная пленка на катоде. При этом , срок их службы продлевается, так как повышается рабочее напряжение.

Источник

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Будущее литиевых аккумуляторов

Рост численности населения, загрязнение окружающей среды и сокращение объемов иссякаемых природных ресурсов обусловили необходимость создания инновационных решений в области чистых технологий, которые были бы рациональнее, безопаснее и эффективнее. Тем не менее, высокие затраты и технические ограничения в сфере хранения энергии препятствуют достижению паритета между поставщиками возобновляемых и традиционных источников энергии с точки зрения их масштабов применения и стоимости.

Будущее чистых технологий может зависеть от технологических достижений в пока еще не получившей заслуженного признания сфере — сфере литиевых аккумуляторов.

Маленькая литиевая батарейка, которую часто используют в игрушках, ноутбуках, мобильных устройствах и механических инструментах, может в ближайшем будущем стать основным источником питания для автомобилей и крупных электросетей. Обыкновенная батарейка может заставить практически бесконечно двигаться не только кролика из рекламы Energizer, но и все человечество, ведь все мы хотим жить на чистой планете, не принося вреда окружающей среде.

Так же стремительно, как ветер меняет свое направление, разработки в сфере аккумуляторов кардинальным образом меняют процессы конструирования продуктов в динамично развивающемся секторе чистых технологий. Инновационные компании нуждаются в производственных инструментах, таких как PLM, которые позволят им наиболее эффективно использовать происходящие изменения и оперативно перестраивать направления производства, чтобы сохранить свою конкурентоспособность.

Обыкновенная батарейка: ключ к устойчивому развитию

Прежде чем мы приоткроем завесу, скрывающую будущее хранения энергии, давайте обратимся к истории аккумуляторов, в частности, литиевых, которая берет свое начало от багдадских батареек, упоминаемых уже в 2500 году до нашей эры.

Ионно-литиевые аккумуляторы были впервые предложены в 70-х годах прошлого века и получили коммерческое распространение в 90-х. С тех пор рынок ионно-литиевых аккумуляторов вырос до 11 миллиардов долларов США (на 2010 год), и ожидается, что к 2020 году он будет составлять 43 миллиарда. По прогнозам аналитического агентства Global Industry Analysts (GIA), объем мирового рынка всех типов бытовых аккумуляторов может достигнуть 55, 4 миллиарда долларов США уже в 2017 году.

Литиевые аккумуляторы представляют собой «вторичные аккумуляторы», то есть предполагают возможность перезарядки, в то время как «первичные аккумуляторы» дозаряжены быть не могут. Вторичные аккумуляторы составляют лишь 10% от всего объема батареек, но образуют 60% глобального рынка аккумуляторов по стоимости. К вторичным относятся свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, натрий-серные и проточные батарейки.

По данным Всемирного отчета об аккумуляторах за 2012 год, общая мировая потребность в первичных и вторичных аккумуляторах возрастет на 8,5 % и составит 144 миллиарда долларов США к 2016 году. Ожидается, что китайский рынок аккумуляторов сохранит свои лидирующие позиции и, кроме того, будет развиваться самыми быстрыми темпами благодаря наличию огромного сектора производства электроники, а также расширению выпуска и использования автомобилей. С ростом государственной производственной базы и личных доходов продажи аккумуляторов в Индии также возрастут, хотя несколько более низкими темпами, нежели в Китае.

В отчете содержатся прогнозы о том, что продажи на рынках потребительских товаров в 2016 году будут расти рекордными темпами. Рост доходов в развивающихся странах спровоцирует расширение использования основных устройств, работающих на аккумуляторах, а возрастающее использование портативных электронных устройств, в свою очередь, подстегнет спрос на аккумуляторы на мировом рынке потребительских товаров. В отчете отмечается, что ожидаемые темпы роста спроса на вторичные аккумуляторы будут выше, чем объемы продаж первичных аккумуляторов.

Популярность портативных электронных устройств стремительно возрасла, что привело к увеличению доли поставщиков вторичных аккумуляторов — в особенности, литиевых — на рынке. По данным последнего отчета, подготовленного порталом Marketresearch.com, к 2022 году ожидается снижение стоимости ионно-литиевых аккумуляторов на 45%. Ионно-литиевые аккумуляторы могут уступить свою долю рынка более дешевым солевым батарейкам в более крупных проектах, но останутся основным источником питания для проектов, ограниченных в пространстве, благодаря своей высокой энергоплотности.

Ожидается, что объем рынка литиевых аккумуляторов будет продолжать расти приблизительно на 10 процентов в год. Высокий спрос на электронику также спровоцирует определенный спрос на никель-металлогидридные аккумуляторы (которые продаются в магазинах в традиционных форматах AAA и AA и используются в качестве небольших аккумуляторных батареек).

Рост спроса на аккумуляторные батарейки

Производство гибридных транспортных средств и электромобилей, а также рост производства и использования традиционных авто сыграет на руку поставщикам автомобильных аккумуляторов. Согласно прогнозам, приведенным в отчете независимой исследовательской компании Lux Research, рынок аккумуляторов для электромобилей увеличится с 7,7 миллиарда долларов за 2010 год до 14,5 миллиарда уже в 2015 году. В электротранспортном секторе используются четыре типа перезаряжаемых аккумуляторов:

Свинцово-кислотные — традиционно в большинстве электромобилей используются свинцово-кислотные аккумуляторы благодаря их наиболее проверенным технологиям, широкой доступности и низкой стоимости.

Водяные на основе никеля — никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы являются основными типами водяных (с использование жидкого электролита) аккумуляторов на основе никеля. Основными проблемами никель-кадмиевых аккумуляторов являются стоимость и токсичность кадмия (ЕС установил запреты на большинство случаев их использования).

Ионно-литиевые — самый популярный и наиболее распространенный тип аккумуляторов для портативной потребительской электроники, характеризующийся долговечностью, высоким удельным потреблением энергии, сравнительно небольшим весом и достаточно быстрой заряжаемостью/ энергоотдачей.

Литий-металлические и воздушно-металлические — в настоящий момент находятся на стадии разработки, предполагают десятикратное увеличение энергоемкости. Еще не был осуществлен их полномасштабный запуск в транспортном секторе, поскольку технология пока находится в стадии исследования и разработки, однако она уже продемонстрировала определенные успехи при эксплуатации и потенциал энергоплотности в определенных сферах.

К интересному выводу пришли специалисты аналитической компании Lux Research в своем последнем отчете «Альтернативные способы хранения энергии», согласно которому существенную роль в скачке спроса на эти аккумуляторы в течении следующих пяти лет сыграют не автомобили, а электровелосипеды и скутеры. Прогнозируемый объем рынка электровелосипедов и скутеров составит 10,9 миллиарда долларов в 2015 году в сравнении с 6,4 миллиарда за 2010 год. В связи с этим регулирующие органы, автопроизводители и СМИ устремили свои взгляды на технологии аккумуляторов для гибридных автомобилей и электромобилей.

Аккумуляторы не для электросетей. пока

Валовые вложения в основные капиталы, промышленное производство в глобальных масштабах и меры по развитию промышленного производства в развивающихся странах будут стимулировать продажи аккумуляторов для промышленного использования и сетевого накопления энергии.

В своем последнем отчете специалисты портала MarketResearch.com утверждают, что главной опцией для использования в сеточных батареях являются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые генерируют более 55 процентов доходов от всех сеточных батарей в настоящее время. К 2018 году их доля сократится до приблизительно 30 процентов, поскольку произойдет коммерциализация новых технологий в сфере сеточных батарей. Свинцово-кислотные аккумуляторы же будут преобразованы при помощи углеродных электродов, что по прогнозам приведет к четырехкратному увеличению их производительности. Кроме того, за рынок будут бороться также ультрааккумуляторы, сочетающие в себе свинцовые и углеродные электроды. В 2018 году доходы с продаж свинцово-углеродных аккумуляторов/ ультрааккумуляторов составять около 300 миллионов долларов.

Большое будущее аккумуляторов

Ионно-литиевые аккумуляторы будут доминировать на автомобильном рынке и рынке потребительских товаров в течение долгого времени благодаря своей высокой производительности и энергоплотности, продолжительному циклу и длительному сроку службы, а также безопасности эксплуатации. Литий-металлические системы представляют потенциал увеличения энергоплотности в будущем. Однако внутренние проблемы, связанные с реверсивностью, циклируемостью и безопасностью литий-металлических аккумуляторов могут препятствовать жизнеспособности таких систем.

Не прекращаются исследования, направленные на повышение производительности и сокращение размеров ионно-литиевых аккумуляторов. В августе 2012 года ученые из Корейского института перспективных научных исследований и технологий (KAIST) разработали твердую тонкопленочную ионно-литиевую батарейку, которая, по их утверждению, обладает наибольшей энергоплотностью среди всех гибких батареек.

Еще одной тенденцией, которая приведет к прорыву в отрасли источников питания, является разработка ультратонких гибких литий-полимерных аккумуляторов, которые могут быть использованы в электронных книгах и планшетных компьютерах будущего — толщиной с бумажный лист и с возможностью сложения.

Процветание экосистемы чистых технологий, необходимой для развития сферы аккумуляторов, требует сотрудничества между проедпринимателями в сфере передовых технологий источников питания, исследовательских институтов и государственных органов, которые должны утвердить политику и методы поощрения дальшейших исследований в области новых технологий хранения энергии. Несмотря на свой небольшой размер, аккумуляторы, в частности, ионно-литиевые, могут сыграть огромную роль в раскрытии потенциала возобновляемых источников энергии в будущем.

PLM позволяет оперативно реагировать на изменения и менять направления производства

Новые достижения в области технологий хранения энергии возвещают о наступлении эры возрождения и неограниченных возможностей возобновляемых источников энергии. Совсем недавно компания Solid Power продемонстрировала доказательство того, что она вплотную приблизилась к созданию литий-металлического аккумулятора, который позволит удвоить ассортимент электромобилей, представленных на рынке.

Этот прорыв может в корне изменить всю отрасль электрического автомобилестроения. Инструменты рационального управления жизненным циклом изделий (PLM) позволят производителям комплексного оборудования внедрить революционные инновации, в частности, в сфере аккумуляторов, в составные части своих продуктов и в два счета изменить направления производства.

Компания Arena Solutions, ведущий разработчик облачных решений в сфере управления жизненным циклом изделий (PLM), уже помогла множеству ведущих компаний, работающих в сфере чистых технологий, среди которых SunLink, EnerVault и SunPower, рационализировать процессы разработки продуктов, чтобы сократить время на их маркетинг, оперативно изменять направления производства с появлением новых технологий и максимально увеличить потенциал выпуска продукции.

Изменения всегда происходят в мгновение ока, и производители должны оперативно на них реагировать. Спросите себя: когда в сфере чистых технологий откроется новая возможность, будет ли у Вас готовое PLM-решение, благодаря которому Ваша компания сможет перенять новые технологии и оперативно изменить продукцию в соответствии с потребностями рынка?

Специалисты бюро переводов «Золотая лань» оказали неоценимую помощь при переводе данного материала. Если вам нужен качественный технический перевод, бюро переводов «Золотая Лань» — именно то что вам нужно!

Источник