Металл-воздушные аккумуляторы как альтернатива литий-йонным
Всё упорнее ходят слухи о светлом, экологически чистом будующем, электромобили заменят грязные дизели, а на крышах домов засияют синим глянцем новые солнечные панели. Понять экологов и энтузиастов «электриков» можно, однако здравый смысл никто не отменял. Каковы же главные препятствия на этом пути и каковы перспективы?
Сразу следует обозначить, что под термином «возобновляемые источники», подразумевается целый индустриальный комплекс: автомобилестроение, энергетика, электроника и т.д. Многие полагают, что всё это очень дорого. Однако, это не так. В мире хватает средств для инвестирования в высокодоходные отрасли и IT сферу. Мало того, деньги всегда можно напечатать. Главная проблема — ресурсы планеты. И если с кремнием, а следовательно, с солнечными панелями дела обстоят хорошо т.е. кремния на Земле много и он относительно дешевый, то с редкоземельными металлами входящими в состав аккумуляторов дела обстоят намного хуже. А ведь без них никуда!
Так учёные подсчитали, что в современная литий-йонной батарея содержит приблизительно 160 граммов металлического лития на один киловатт хранимой электроэнергии. Это базовая цифра. Теперь можно подсчитать сколько лития требуется, например, автомобилю Tesla Model S с аккумулятором емкостью 85 кВт. Итого 13,6 кг. металлического лития.
При этом, аккумулятор состоит из множества элементов формфактора 18650. Напомним, что эти элементы содержат также никель и кобальт. И если с первым проблем не наблюдается, то с кобальтом дела обстоят совсем не так безоблачно. Экономисты подсчитали, что даже при современных ценах, спрос на кобальт к 2025 году вырастет примерно в три раза! Но, где взять такое количество кобальта и можно ли его чем-то заменить?
«Кобальт настолько важен для оптимальной производительности аккумуляторов, что он вряд ли скоро исчезнет из литий-ионных аккумуляторов. Если увеличить долю никеля, снизится стабильность батареи и срок её службы, снизится скорость заряда батареи. Кобальт — это элемент, который компенсирует нестабильность никеля. Без него не обойтись в ближайшие три десятилетия.», — сказал исполнительный директор Umicore Марк Гринберг.
К этому стоит добавить, что сегодня Li-Ion аккумляторы широко применяются лишь в переносной электронике: смартфонах, ноутбуках, фонарях, навигаторах и т.п. И это уже довольно обширный рынок. Если же на рынок выйдут автопроизводители, кобальта и лития станет катастрофически не хватать. Также не стоит забывать энергетиков и учёных физиков. Их эксперименты с термоядерным синтезом на токамаках также требуют изрядного количества лития, который используется для получения трития.
Короче, ученые подсчитали, что лития и кобальта хватит для замены на электромобили лишь 25% всего современного автопарка. Вот так. Никакой реальной «электромобилизации» в ближайшее время не будет, пока не будут найдены новые решения в области хранения электроэнергии.
Прогресс в этой области идёт достаточно быстро, однако новых технологических решений пока не видно. Впрочем стало понятно, что использовать литий-йонные аккумуляторы в энергетике нецелесообразно, потребуется слишком большая емкость, а соответственно и стоимость таких батарей будет запредельной. Для энергетических нужд уже сегодня созданы более подходящие металл-воздушные батареи.
Metal-Air
Любая батарея состоит из анода, катода и электролита между ними. Так в литий-ионной батарее ионы лития, растворенного в электролите, перемещаются от анода к катоду в процессе зарядки и разрядки. В металл-воздушной батарее катод состоит из воздуха, а анод из металла. Использование воздуха делает эти батареи принципиально более легкими и дешевыми.
Компания Fluidic Energy производит особый тип металлической воздушной батареи, называемой цинко-воздушной. Цинк — недорогой металл, являющийся самым дешевым победителем в области хранения энергии. Он использовался в батареях в течение многих лет, но они были неперезаряжаемы. Когда энергия, накопленная в них, кончалась, батарею приходилось выбрасывать. В 2005 году Fluidic Energy приступила к лабораторным исследованиям свойств цинковых батарей в результате чего через десять лет создала коммерческую технологию цинковых аккумуляторов. В настоящее время компания уже развернула 75000 батарей на 1200 различных площадках по всему миру, что намного больше, чем ее конкуренты.
Прогрессу технологии Fluidic Energy поспособствовало то, что металл-воздушные батареи компании в 4 раза дешевле любых кислотных аккумуляторов и в 17 раз дешевле любых li-ion. Так стоимость хранения 1 кВт.ч получилась намного ниже 100 долларов. Кроме того, батареи компании имеют долгий срок службы, переносят глубокую разрядку, имеют большое количество циклов заряд-разряд, масштабируемы, пожаробезопасны, полностью утилизируемы.
Батареи Fluidic Energy предназначены вовсе не для переносных или мобильных устройств. Их основные сферы применения: солнечная энергетика, телекоммуникации. Здесь они обеспечивают беспрецедентный уровень надёжности и контроля, заменяя собой дорогостоящие дизельные генераторы.
ООО «Ойл-Экспо» — оптовые поставки дизтоплива для строительных и ремонтных организаций по Москве и области. Лицензия на доставку в Центральный округ Москвы.
+7 495 504-15-14
Доставляем топливо в центр!
Источник
Акумуляторы нового типа на основе графена
Дата публикации: 25 февраля 2015
В последнее время появилось несколько сообщений о разработках нового типа аккумуляторов на основе графена. Причем разработки проводятся сразу в нескольких странах.
Справка: Графен – двумерный кристаллический углеродный наноматериал, который можно представить себе как пластину, состоящую из атомов углерода. Один из самых известных продуктов в области нанотехнологии. Данный материал обладает уникальными токопроводящими свойствами, которые позволяют ему служить как очень хорошим проводником, так и полупроводником. Кроме того, графен чрезвычайно прочен и выдерживает огромные нагрузки, как на разрыв, так и на прогиб. В настоящее время графен получают путем отшелушивания чешуек от частиц графита, однако существуют разработки, позволяющие получать данный материал в промышленных масштабах.
Австралия
Источник: http://www.abercade.ru/research/industrynews/6975.html, 22.09.11
Исследователи из австралийского университета Монаша нашли способ удержать графеновые пластинки в стабильном состоянии – сделать из них водяной гель. При этом выяснилось, что если на основе этого геля сделать аккумулятор, он будет заряжаться в течение нескольких секунд.
Дан Ли, сотрудник отделения технологии материалов университета Монаша в Австралии утверждает, что их открытие позволит создать аккумуляторы, которые смогут подзаряжаться буквально за несколько секунд. «Сложно создавать устройства на базе графена, — говорит ученый, — Поскольку собранные из него конструкции стремятся упорядочится в обычный графит и теряют все свои уникальные свойства».
Команда австралийских исследователей выяснила, что для того, чтобы удержать пластины графена от слипания их следует держать в воде. Когда графен находится в растворе в состоянии геля, пластинки не слипаются друг с другом и могут стать стабильной основой различных устройств.
Получившийся гель чрезвычайно дешев, поскольку состоит из углерода и воды и обладает, как выяснилось в ходе дальнейшего исследования, интересными свойствами. Его способность накапливать и удерживать электрический заряд во много раз превосходит параметры современных литиево-ионных аккумуляторов.
Такой аккумулятор, по словам самих исследователей, можно будет полностью зарядить за несколько секунд, что, безусловно, сделает его значительно более выгодным коммерчески, нежели современные батареи.
Источник: http://nauka21vek.ru/archives/22331, 20.11.2011
Исследователи из Северо-Западного университета (США) нашли способ десятикратного улучшения ключевых характеристик ионно-литиевых аккумуляторов — ёмкости и скорости зарядки. В ионно-литиевых батареях энергия вырабатывается в результате химической реакции, во время которой ионы лития перемещаются через электролит от анода к катоду. При подзарядке ионы движутся в обратном направлении. Ёмкость батарей при этом зависит от количества ионов, которое могут вместить анод или катод, а время подзарядки — от скорости движения ионов.
Американские исследователи, проводившие работы под руководством профессора Гарольда Кунга (Harold Kung), внесли изменения в структуру электродов: для увеличения ёмкости между пластинами графена были размещены кремниевые кластеры. Скорость зарядки удалось повысить путём формирования крошечных (диаметром 10–20 нанометров) отверстий в графеновых пластинах, ускоряющих прохождение ионов лития.
В результате, как утверждается, становится возможным увеличение ёмкости аккумулятора и скорости подзарядки в десять раз по сравнению с современными батареями. Г-н Кунг отмечает, что даже после 150 циклов подзарядки, чего хватит на год использования портативного устройства, новые источники питания оказываются в пять раз эффективнее обычных.
Учёные полагают, что вывести новую технологию на рынок удастся в течение трёх–пяти лет.
Россия
Источник: http://www.oilru.com/news/435094/, 07.11.14
Российские ученые близки к созданию нового типа аккумулятора, где электродными материалами служат магний и графен. Эта, по их словам, революционная разработка, поможет массово вывести на дороги электромобиль, а также облегчить использование солнечной и ветряной энергии и дать человечеству множество удобных приспособлений, одновременно снизив потребление нефтяных ресурсов.
Новые аккумуляторы станут шагом вперед по сравнению с наиболее эффективными на сегодняшний момент ионно-литиевыми батареями, рассказал корр.ТАСС один из руководителей проекта, директор компании «Конгран» Семен Червонобродов. По его словам, мощность новых батарей станет на порядок выше, а стоимость — в разы меньше.
Ученые предлагают для аккумулятора магниевый анод и катод из гипероксидированного графена — одного передовых наноматериалов, созданных ими в этом году. В катоде сочетается принцип химической реакции окисления-восстановления, общий для всех аккумуляторов, с доступностью большой поверхности электрода для электрических зарядов, на которой основаны другие накопители энергии — суперконденсаторы.
«Магний на мировом рынке в 24 раза дешевле лития, — подчеркнул научный руководитель проекта, профессор Владимир Гольдберг. — И плюс к тому, магниевый анод лишен ряда недостатков, присущих литию. Литий токсичен, это щелочной металл, который реагирует с парами воды прямо в воздухе. Утилизация литиевых аккумуляторов очень тяжелая. У магния ничего этого в помине нет. Наконец, у магниевого аккумулятора в два раза больше возможности по накоплению энергии на единицу объема».
Причем, ни магний, ни графен не являются дорогими компонентами.
«Магний, как и алюминий, добывается из глин. Графита, из которого получается графен, под ногами лежит очень много. Проблемы здесь другого свойства. Это проблемы развития технологий, финансирования, создания производств. Тот, кто первый успеет это сделать, тот и победит. Первооткрывателей графена несколько лет назад у нас перекупили англичане. И уже будучи британскими подданными, они получили за графен Нобелевскую премию».
Член Комитета Торгово-промышленной палаты РФ по энергетической Стратегии и развитию ТЭК Рустам Танкаев.
Правда, применение магния и графена сопряжено с целым рядом сложностей. Подборкой подходящего электролита, «заливки для аккумулятора», его создатели заняты до сих пор. Тем не менее, они рассчитывают через год-полтора начать разговор с крупными компаниями о совместных разработках и производстве.
Появление по-настоящему эффективных и недорогих аккумуляторов открывает революционные перспективы во многих сферах жизни. Электромобиль, наконец, станет массовым и потеснит автомобиль на дорогах. Это резко повысит чистоту городского воздуха, а также приведет к снижению потребления нефти на транспорте.
Последнее может повлиять на цены энергоносителей на мировом рынке, признают изобретатели. Однако подчеркивают, что создавать супераккумуляторы необходимо, этим активно занимаются в мире, и Россия должна быть на уровне современных достижений. Кроме автомобильной революции, гораздо легче станет применять ветряные двигатели, солнечные батареи и другие «собиратели природной энергии», которые нуждаются в ее надежном накопителе. Резко возрастет запас энергии у мобильных телефонов, портативных компьютеров и прочей аппаратуры.
Созданием супераккумуляторов занимается коллектив Института биохимической физики Российской академии наук (ИБХФ РАН имени Н.М. Эмануэля) во главе с директором, член-корреспондентом РАН Сергеем Варфоломеевым. На конкурсе, проведенном Федеральным агентством научных организаций (ФАНО) и фондом «Сколково», представленный Варфоломеевым проект занял второе место. Учрежденная ИБХФ компания «Конгран» («Конденсатор графеновый Академии наук»), резидент инновационного центра Сколково, удостоена гранта в размере 5 млн рублей.
Испания
Источник: http://rodovid.me/saharin/grafenovye-akkumulyatory-zaryazhayut-elektromobil-za-8-minut-na-1000-km.html, 19 декабря 2014 г.
Испанские инженеры разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на 77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км. Графеновые батареи уже взяли на тестирование две из 4-х немецких автомобильных компаний.
Современные электромобили имеют 2 основных недостатка: очень долгое время зарядки и короткое время автономной работы. И хотя литий-ионные аккумуляторы, которыми укомплектованы текущие электромобили, постоянно улучшаются, для полной их зарядки требуется несколько часов, а автономия в перемещении едва достигает 300 километров.
Эти ограничения сможет убрать новый графен-полимерный аккумулятор разработанный испанской компанией Graphenano совместно с исследователями из университета Кордовы.
Компания Graphenano является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так что они знают, что делают. И правда в том, что графеновый аккумулятор может сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он весит половину литий-ионного аккумулятора, он стоит на 77% меньше, заряжается за восемь минут, и предлагает автономность езды до 1000 километров.
Компания Graphenano начнет производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые будут тестировать их на своих автомобилях.
Источник