Відносно акумуляторів діє правило «все або нічого». Без енергетичних накопичувачів нового покоління не буде ні перелому в енергетичній політиці, ні на ринку електромобілів.
Закон Мура, постуліруемий в IT-індустрії, обіцяє збільшення продуктивності процесорів кожні два роки. Розвиток акумуляторів відстає: їх ефективність збільшується в середньому на 7% на рік. І хоча літій-іонні батареї в сучасних смартфонах працюють всі довше і довше, це багато в чому пов'язано з оптимізованої продуктивністю чіпів.
Літій-іонні батареї домінують на ринку через їх малу вагу і високої щільності накопичуваної енергії.
Щорічно мільярди акумуляторів встановлюються в мобільні пристрої, електромобілі і системи для зберігання електрики від поновлюваних джерел енергії. Однак сучасна техніка досягла своєї межі.
Доброю новиною є те, що наступне покоління літій-іонних батарей вже майже відповідає вимогам ринку. Як акумулює матеріалу в них застосовується літій, який теоретично дозволяє в десять разів збільшити щільність зберігання енергії.
Поряд з цим наводяться дослідження інших матеріалів. Хоча літій і забезпечує прийнятну щільність енергії, проте мова йде про розробки на кілька порядків оптимальніше і дешевше. Зрештою, природа могла б надати нам кращі схеми для високоякісних акумуляторів.
Науково-дослідні лабораторії університетів розробляють перші зразки органічних акумуляторів. Однак до виходу таких біобатарей на ринок може пройти не одне десятиліття. Місток в майбутнє допомагають протягнути малогабаритні батареї, які заряджаються шляхом уловлювання енергії.
Мобільні джерела живлення
За даними компанії Gartner, в цьому році буде продано понад 2 млрд. Мобільних пристроїв, в кожному з яких встановлений літій-іонний акумулятор. Ці акумулятори сьогодні вважаються стандартом, почасти тому, що вони дуже легкі. Проте вони мають максимальну щільністю енергії тільки 150-200 Вт · год / кг.
Літій-іонні батареї заряджаються і віддають енергію шляхом переміщення іонів літію. При зарядці позитивно заряджені іони рухаються від катода через розчин електроліту між шарами графіту анода, накопичуються там і приєднують електрони струму зарядки.
При розрядці вони віддають електрони в контур струму, іони літію переміщаються назад до катода, в якому вони знову зв'язуються з перебувають в ньому металом (в більшості випадків - кобальтом) і киснем.
Ємність літій-іонних акумуляторів залежить від того, яка кількість іонів літію може розташовуватися між шарами графіту. Однак завдяки кремнію сьогодні можна домогтися більш ефективної роботи акумуляторів.
Для порівняння: для зв'язування одного іона літію потрібно шість атомів вуглецю. Один атом кремнію, навпаки, може утримувати чотири іона літію.
Літій-іонний акумулятор зберігає свою елетроенергіі в літії. При зарядці анода атоми літію зберігаються між шарами графіту. При розрядці вони віддають електрони і переміщаються у вигляді іонів літію в шарувату структуру катода (кобальтит літію).
Кремній підвищує ємність
Ємність акумуляторів зростає при включенні кремнію між шарами графіту. Вона збільшується в три-чотири рази при з'єднанні кремнію з літієм, проте після декількох циклів зарядки графітовий шар розривається.
Вирішення цієї проблеми знайдено в стартап-проект Amprius, створеному вченими з Стенфордського університету. Проект Amprius отримав підтримку таких людей, як Ерік Шмідт (голови ради директорів Google) і лауреат Нобелівської премії Стівен Чу (до 2013 року - міністр енергетики США).
Пористий кремній в аноді збільшує ефективність літій-іонних акумуляторів до 50%. В ході реалізації стартап-проекту Amprius ж зроблені перші кремнієві акумулятори.
В рамках цього проекту доступні три методи вирішення «проблеми графіту». Перший з них - застосування пористого кремнію, який можна розглядати як «губку». При збереженні літію він вкрай мало збільшується в обсязі, отже, шари графіту залишаються неушкодженими. Amprius може створити акумулятори, які зберігають до 50% більше енергії, ніж звичайні.
Більш ефективно, ніж пористий кремній, накопичує енергію шар кремнієвих нанотрубок. В прототипах було досягнуто майже дворазове збільшення зарядної ємності (до 350 Вт · год / кг).
«Губка» і трубки повинні бути раніше покриті графітом, так як кремній вступає в реакцію з розчином електроліту і тим самим зменшує час роботи акумулятора.
Але є і третій метод. Дослідники проекту Ampirus впровадили в вуглецеву оболонку групи частинок кремнію, які безпосередньо не стикаються, а забезпечують вільний простір для збільшення часток в обсязі. Літій може накопичуватися на цих частках, а оболонка залишається неушкодженою. Навіть після тисячі циклів зарядки ємність прототипу знизилася тільки на 3%.
Кремній з'єднується з декількома атомами літію, але при цьому розширюється. Для запобігання руйнуванню графіту дослідники використовують структуру рослини граната: вони вводять кремній в графітові оболонки, розмір яких досить великий, щоб додатково приєднувати літій.