Огонь-батарея

Индустрия аккумуляторных батарей не претерпевала коренных изменений уже почти полвека, с момента изобретения литий-ионных батареек. Вместе со свинцово-кислотными аккумуляторами они сейчас занимают примерно две трети рынка. Однако взрывной рост спроса на электронику и переход автомобильной индустрии на электродвигатели требует поиска принципиально новых, гораздо более совершенных технологий в этой сфере.

Фото: Marcus Folino / Chalmers University of Technology

Несущая невесомая

В марте ученые из Технического университета Чалмерса объявили о создании аккумулятора, который в ближайшее время может произвести революцию на рынке. Это структурный аккумулятор из композитного углеродного материала, который одновременно выполняет функцию как хранилища энергии, так и несущего элемента конструкции, например автомобиля.

Свою батарею инженеры называют невесомой, так как она фактически не утяжеляет устройство, на котором будет установлена.

Саму технологию шведские ученые разработали еще два года назад. Тогда их изобретение было признано изданием Physics World крупнейшим научным достижением года. Корпус первоначальной разработки выдерживал такие физические нагрузки, под которыми обычная литиевая батарейка просто разрушится. Однако по одному из главных показателей, плотности запасаемой энергии, эта разработка сильно уступала литий-ионным батареям. За два года шведским ученым удалось улучшить как этот показатель, так и уровень жесткости батареи примерно в десять раз. Теперь аккумулятор шведских инженеров не уступает по прочности другим конкурентам на рынке. Проблемой остается только плотность запасаемой энергии — она все еще в несколько раз ниже, чем у тех же литий-ионных батарей. Но ученые заверяют, что знают, как и дальше совершенствовать свое изобретение, и готовы увеличить показатели обеих ключевых характеристик.

С заботой о природе

Помимо попыток создать аккумуляторы совершенно нового типа ученые работают и над совершенствованием батареек с полувековой историей — литий-ионных аккумуляторов. Батареи этого типа, по данным Grand View Research (GVR), занимают второе место по распространенности в мире, уступая совсем немного свинцово-кислотным аккумуляторам. То есть по итогам 2019 года занимали долю 29,5%. Однако лавинообразный рост электронных девайсов, которыми люди пользуются в повседневной жизни, и ускоряющийся переход мирового автопрома на электродвигатели приведут к тому, что в обозримом будущем большим спросом начнут пользоваться именно литиевые батареи, уверены аналитики GVR.

Сейчас объем рынка литий-ионных батарей оценивается примерно в $33 млрд, и он будет расти в среднем на 13% в год.

Пока правительства многих стран принимают все больше мер для сохранения природных ресурсов, инженеры пытаются создать батареи, в которых не будет использоваться редкоземельный металл кобальт. Так, в середине прошлого года ученые из Университета Техаса в Остине объявили, что разработали бескобальтовую батарею, где в качестве катода вместо кобальта используется 89-процентный никель. «Кобальт является наименее распространенным и самым дорогим компонентом в катодах батарей. И мы его полностью исключаем из производства»,— сказал профессор Арумугам Мантирам, директор Техасского института материалов. В декабре 2020 года китайская высокотехнологичная компания SVOLT Energy (бывшее подразделение производителя грузовиков Great Wall Motor) начала прием заказов на бескобальтовые аккумуляторы для электромобилей.

Помимо снижения содержания редкоземельных металлов, как утверждает компания, эти аккумуляторы обладают более высокой плотностью энергии, что позволит электромобилю преодолевать без подзарядки до 800 км.

Ожидается, что производство батарей начнется в середине 2022 года.

Разработкой батарей без использования кобальта занимается и американская корпорация IBM. Еще в конце 2019 года американская корпорация заявила о намерении полностью отказаться от тяжелых металлов при производстве батарей. Компания заверяет, что открыла технологию, которая позволяет использование не только кобальта, но и никеля. При этом батарея нового типа, по словам IBM, будет производительнее традиционных литий-ионных, а материалы для нее будут извлекаться из морской воды. Кроме того, компания обещает, что ее аккумуляторы будут дешевле в производстве, быстрее заряжаться, а также иметь как более высокую мощность, так и плотность энергии.

Подзарядка от всего подряд

За последние годы появилось множество разработок необычных батарей, пытающихся получить энергию практически из всего, что их окружает. Так, например, в начале 2019 года международная группа ученых при поддержке Массачусетского технологического института представила свою работу по созданию батареи, которая могла бы добывать электроэнергию, улавливая волны Wi-Fi-сетей.

Названное ректенной (антенна для сбора радиоволн) устройство может поместиться в любом электронном устройстве, даже самом миниатюрном, ведь его толщина всего несколько атомов.

В свою очередь, американский стартап uBeam пытается использовать для передачи электричества ультразвук. Энергия превращается в звуковые волны, неслышимые для людей и животных, которые передаются от одного устройства к другому и затем преобразуются обратно в энергию. Выглядит такой передатчик энергии как пластина толщиной 5 мм. А израильский стартап StoreDot создал зарядное устройство, которое использует биологические полупроводники, изготовленные из природных органических соединений — пептидов. Такая батарея, по заверениям разработчиков, способна зарядить смартфон за 60 секунд, а электромобиль — всего за 5 минут, после чего тот сможет проехать почти 500 км.