Vi har nylig snakket om historien til oppfinnelsen av litium-ion-batterier, som ga en kraftig drivkraft til utviklingen av bærbar elektronikk. Hvert år informerer de tekniske mediene oss om den kommende energirevolusjonen - bare litt mer, enda et år eller to, og verden vil se batterier med fantastiske egenskaper. Når tiden går, men revolusjonen ikke er synlig, har våre telefoner, bærbare datamaskiner, quadcopters, elbiler og smartur fremdeles forskjellige endringer av litium-ion-batterier. Så hvor gikk alle de innovative batteriene, og er det noe alternativ til Li-Ion i det hele tatt?
Når forventer du batterirevolusjonen?
Beklager å irritere deg, men det har allerede gått. Den bare strakk seg ut i et par tiår og gikk derfor nesten upåaktet hen. Fakta er at oppfinnelsen av litium-ion-batterier var motparten for utviklingen av kjemiske batterier.
Kjemiske strømkilder er basert på en redoksreaksjon mellom elementer. Det er bare 90 naturlige elementer i den periodiske tabellen som kan delta i en slik reaksjon. Så viste litium seg å være et metall med begrensende egenskaper: laveste masse, laveste elektrodepotensial (–3,05 V) og høyest strømbelastning (3,83 Ah / g).
Litium er den beste katode aktive substansen på jorden. Bruken av andre elementer kan forbedre en ytelse og uunngåelig forringe den andre. Det er grunnen til at eksperimenter med litiumbatterier har pågått i 30 år allerede - ved å kombinere materialer, der litium alltid er, skaper forskere typer batterier med de nødvendige egenskapene som finner veldig smal anvendelse. Det gode gamle batteriet med en litium-koboltoksydkatode, som kom til oss så langt tilbake som på 80-tallet av forrige århundre, kan fortsatt anses som det mest utbredte og universelle på grunn av den utmerkede kombinasjonen av spenning, strømbelastning og energitetthet.
Derfor, når nok en oppstart gjennom munnen på media høyt løfter verden en energirevolusjon fra dag til dag, er forskere beskjedent stille om at de nye batteriene har noen problemer og begrensninger som ennå ikke er løst. De kan vanligvis ikke løses.
Salgsfremmende video:
Hovedproblemet med "revolusjonerende" batterier
I dag er det mange typer batterier med forskjellige kjemiske sammensetninger, inkludert de uten bruk av litium. Hver type med sine egne egenskaper har funnet sin anvendelse i en bestemt type teknologi. Lette, tynne og høyspent litium-koboltbatterier er lenge funnet i kompakte smarttelefoner. Hardføre, kraftige, men veldig store litium-titanatbatterier passer inn i offentlig transport. Og brannsikre litiumfosfatceller med lav kapasitet brukes i form av store matriser i kraftverk.
Fortsatt er de mest populære litium-koboltbatterier for mobilbrukerteknologi. De viktigste kriteriene de oppfyller er en høyspenning på 3,6 V mens de opprettholder en høy energiintensitet per volumenhet. Dessverre har mange alternative typer litiumbatterier mye lavere spenning - under 3,0 V og til og med under 2,0 V - som ikke kan drives av en moderne smarttelefon.
Det er mulig å kompensere for fall av noen av egenskapene ved å kombinere batterier i celler, men da vokser dimensjonene. Så hvis et annet lovende batteri med mirakuløse egenskaper viser seg å være uegnet for bruk i mobilteknologi eller elektriske kjøretøyer, er fremtiden nesten garantert en forhåndsavslutning. Hvorfor trenger du et batteri med en levetid på 100 tusen sykluser og hurtiglading, hvorfra du bare kan drive et armbåndsur med piler?
Mislykkede eksperimenter
Ikke alle batteriene beskrevet nedenfor kan anses som mislykkede - noen krever en veldig lang revisjon, noen kan finne bruken ikke på smarttelefoner, men i spesialisert utstyr. Likevel ble all denne utviklingen posisjonert som en erstatning for litium-ion-batterier i smarttelefoner.
I 2007 mottok en amerikansk oppstart Leyden Energy 4,5 millioner dollar i investeringer fra flere venturekapitalfond for å lage det de selv uttalte som en ny generasjon litium-ion-batterier. Selskapet brukte en ny elektrolytt (Solvent-in-Salt) og en silisiumkatode, som betydelig økte energiintensiteten og motstanden mot høye temperaturer opp til 300 ° C. Forsøk på å lage bærbare batterier ut av esken endte i svikt, så Leyden Energy omorienterte seg til markedet for elektriske biler.
Til tross for den stadige tilførselen av titalls millioner dollar, klarte selskapet aldri å etablere produksjon av batterier med stabile egenskaper - indikatorene svevde fra eksempel til instans. Hvis selskapet hadde mer tid og finansiering, hadde det kanskje ikke vært nødt til å selge utstyr, patenter og gå under vingen til et annet energiselskap, A123 Systems, i 2012.
Litiummetallbatterier- ikke nyheter: de inkluderer ikke-oppladbart litiumbatteri. SolidEnergy gikk ut på å lage ladbare litiummetallceller. Det nye produktet har det dobbelte av energikapasiteten til litium-koboltbatterier. Det vil si at i forrige volum var det mulig å få plass til dobbelt så mye energi. I stedet for tradisjonell grafitt ved katoden, brukte de litiummetallfolie. Inntil nylig var litiummetallbatterier ekstremt eksplosive på grunn av tilveksten av dendritter (trelignende metallformasjoner som vokste på anoden og katoden), noe som førte til en kortslutning, men tilsetningen av svovel og fosfor til elektrolytten bidro til å kvitte seg med dendritter (selv om SolidEnergy ennå ikke har teknologien). I tillegg til den svært høye prisen, er blant de kjente problemene med SolidEnergy-batterier en lang lading - 20% av kapasiteten i timen.
Sammenligning av størrelsene på litiummetall og litium-ion-batterier med like kapasitet. Kilde: SolidEnergy Systems.
Aktivt arbeid med magnesium-svovelceller begynte på 2010-tallet, da Toyota kunngjorde forskning på dette området. Anoden i slike batterier er magnesium (en god, men ikke tilsvarende analog litium), katoden består av svovel og grafitt, og elektrolytten er en normal NaCl-saltløsning. Problemet med elektrolytten er at den ødelegger svovel og gjør at batteriet er inaktivt, så elektrolytten måtte fylles rett før bruk.
Toyota-ingeniører har laget en ikke-nukleofil partikkelelektrolytt som ikke er etsende mot svovel. Da det viste seg, kan et stabilisert batteri fremdeles ikke brukes på lenge, siden kapasiteten synker etter halvparten etter 50 sykluser. I 2015 ble et litium-ionet tilsetningsstoff integrert i batteriet, og to år senere ble elektrolytten fornyet, noe som ga batterilevetiden til 110 sykluser. Den eneste grunnen til at arbeidet fortsetter med et så lunefullt batteri, er den høye teoretiske energikapasiteten (1722 Wh / kg). Men det kan vise seg at når suksessfulle prototyper vises, vil magnesium-svovelelementer ikke lenger være nødvendig.
Generering i stedet for å lagre energi
Noen forskere foreslår å gå motsatt: ikke å lagre, men å generere energi direkte i enheten. Er det mulig å gjøre en smarttelefon om til et lite kraftverk? I løpet av det siste tiåret har det vært flere forsøk på å avlaste dingser fra behovet for å lade via strømnettet. Bedømme etter hvordan vi nå lader smarttelefoner, var forsøkene mislykket - husk de mest "vellykkede" oppfinnelsene.
Direkte spaltning metanol brenselcelle (DFMC). Forsøk på å introdusere metanolbrenselceller i mobilteknologi begynte på midten av 2000-tallet. På dette tidspunktet skjedde overgangen fra langvarige trykknappstelefoner til krevende smarttelefoner med store skjermer - de hadde litium-ion-batterier i maksimalt to dager med drift, så ideen om øyeblikkelig lading virket veldig attraktiv.
I en brenselcelle oksideres metanol til karbondioksid på en polymermembran som fungerer som en elektrolytt. Hydrogenprotonet går til katoden, kombineres med oksygen og danner vann. Nyanse: for at reaksjonen skal fortsette effektivt, er en temperatur på omtrent 120 ° C nødvendig, men den kan erstattes med en platinakatalysator, noe som naturlig påvirker kostnadene for elementet.
Det viste seg å være umulig å plassere brenselcellen i telefonens kropp: drivstoffrommet var for stort. På slutten av 2000-tallet tok derfor DFMC-ideen form i form av bærbare batterier (kraftbanker). I 2009 lanserte Toshiba en seriell metanolkraftbank kalt Dynario. Den veide 280 g og liknet i størrelse som moderne bærbare 30 000 mAh-batterier, det vil si at den var i palmestørrelse. Dynario ble priset til imponerende 328 dollar i Japan, og ytterligere 36 dollar for et sett med fem 50 ml metanolflasker. Én "tanking" krever 14 ml, volumet var nok til to ladninger av en trykknapptelefon via USB med en strøm på 500 mA.
Video som demonstrerer tanking og drift av Toshiba Dynario:
Saken gikk ikke lenger enn utgivelsen av en eksperimentell gruppe på 3000 eksemplarer, fordi drivstoffkraftbanken viste seg å være for kontroversiell: den er kostbar i seg selv, med dyre forbruksvarer og de høye kostnadene for en telefonkostnad (omtrent $ 1 for en trykknapp). I tillegg er metanol giftig og i noen land krever lisens for å selge og til og med kjøpe den.
Gjennomsiktige solcellepaneler. Solcellepaneler er en utmerket løsning for å trekke ut uendelige (i vår levetid) solenergi. Disse panelene har lav effektivitet til en høy pris og for lav effekt, mens de er den enkleste måten å generere strøm. Men menneskehetens virkelige drøm er gjennomsiktige solcellepaneler som kan installeres i stedet for glass i vinduene til hus, biler og drivhus. Så å si, kombiner forretninger med glede - å generere strøm og naturlig belysning av plassen. Den gode nyheten er at gjennomsiktige solcellepaneler eksisterer. Den dårlige nyheten er at de er praktisk talt ubrukelige.
Utvikleren og University of Michigan viser frem et gjennomsiktig panel uten ramme. Kilde: YouTube / Michigan State University.
For å "fange" lysfotoner og gjøre dem om til elektrisitet, kan ikke solcellepanelet i prinsippet være gjennomsiktig, men det nye gjennomsiktige materialet kan absorbere UV- og IR-stråling, og oversette alt til IR-området og lede det til kanten av panelet. Konvensjonelle fotovoltaiske silisiumpaneler er installert rundt kantene på det gjennomsiktige panelet som en ramme, som fanger opp det avledede infrarøde lyset og genererer strøm. Systemet fungerer bare med en virkningsgrad på 1-3% … Gjennomsnittlig effektivitet for moderne solcellepaneler er 20%.
Til tross for løsningen mer enn tvilsom effektivitet, kunngjorde den berømte klokkeprodusenten TAG Heuer i 2014 den premium trykknapptelefonen Tag Heuer Meridiist Infinite, der et gjennomsiktig solcellepanel fra Wysis ble installert over skjermen. Selv under kunngjøringen om løsningen for smarttelefoner, lovet Wysis kraften til en slik solopladning i størrelsesorden 5 mW fra 1 cm2 av skjermen, som er ekstremt liten. For eksempel er dette bare 0,4 W. for iPhone X-skjermen. Tatt i betraktning at den medfølgende Apple smarttelefonadapteren blir kjeftet for uanstendig lav effekt på 5 W, er det tydelig at du ikke kan lade den med 0,4 W.
Selv om det ikke fungerte med metanol, fikk hydrogenbrenselceller en billett til livet, og ble grunnlaget for Toyota Mirai elbil og Toshiba mobile kraftverk.
Og hva som skjedde: vellykkede eksperimenter med Li-Ion
Suksess ble oppnådd av de som ikke var ivrige etter å snu verden rundt for enhver pris, men bare jobbet for å forbedre individuelle egenskaper ved batterier. Endring av katodemateriale påvirker spenningen, energikapasiteten og livssyklusen til batterier i stor grad. Deretter vil vi snakke om den etablerte utviklingen, som nok en gang bekrefter allsidigheten til litium-ion-teknologi - for hver "revolusjonerende" utvikling er det en mer effektiv og billigere eksisterende analog.
Litiumkobolt (LiCoO2, eller LCO). Arbeidsspenning: 3,6 V, energikapasitet opp til 200 Wh / kg, levetid opp til 1000 sykluser. Grafittanode, litium-koboltoksid-katode, klassisk batteri beskrevet ovenfor. Denne kombinasjonen brukes ofte i batterier for mobilteknologi, der det kreves høy energitetthet per volumenhet.
Litium-mangan (LiMn2O4, eller LMO). Arbeidsspenning: 3,7 V, energikapasitet opp til 150 Wh / kg, levetid opp til 700 sykluser. Den første effektive alternative formuleringen ble utviklet allerede før salget av litium-ion-batterier som sådan. En litium-mangan-spinell ble brukt ved katoden, noe som gjorde det mulig å redusere den interne motstanden og øke utgangsstrømmen betydelig. Litium-manganbatterier brukes i krevende utstyr, for eksempel elektroverktøy.
Lithium Nickel Mangan Cobalt (LiNiMnCoO2, eller NMC). Arbeidsspenning: 3,7 V, energikapasitet opp til 220 Wh / kg, levetid opp til 2000 sykluser. Kombinasjonen av nikkel, mangan og kobolt viste seg å være meget vellykket, batteriene økte både energiintensiteten og effekten til den gitte strømmen. I de samme "bankene" har 18650 kapasiteten steget til 2800 mAh, og den maksimale effektstrømmen - opptil 20 A. NMC-batterier er installert i de fleste elektriske kjøretøyer, og tynner dem noen ganger med litium-manganceller, siden slike batterier har lang levetid.
Det nye NMC-batteriet til elbilen Nissan Leaf skal ifølge produsentens beregninger leve i 22 år. Det forrige LMO-batteriet hadde en lavere kapasitet og gikk ut mye raskere. Kilde: Nissan.
Litiumjernfosfat (LiFePO4, eller LFP). Driftsspenning: 3,3 V, energikapasitet opp til 120 Wh / kg, levetid opp til 2000 sykluser. Forbindelsen, oppdaget i 1996, bidro til å øke strømstyrken og levetiden til litium-ion-batterier til 2000 ladninger. Litium-fosfatbatterier er tryggere enn forgjengerne, tåler bedre oppladning. Men deres energiintensitet er ikke egnet for mobilteknologi - når spenningen stiger til 3,2 V, reduseres energiintensiteten minst to ganger sammenlignet med litium-kobolt-sammensetningen. Men på den annen side utviser LFP mindre selvutladning og har en spesiell utholdenhet mot lave temperaturer.
En rekke litiumfosfatceller med en total kapasitet på 145,6 kWh. Slike matriser brukes til trygt å lagre energi fra solcellepaneler. Kilde: Yo-Co-Man / Wikimedia.
Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (LiNiCoAlO2, eller NCA). Arbeidsspenning: 3,6 V, energikapasitet opp til 260 Wh / kg, levetid opp til 500 sykluser. Det ligner veldig på et NMC-batteri, har en utmerket energikapasitet, en nominell spenning på 3,6 V som passer for det meste utstyr, men den høye kostnaden og beskjeden levetid (ca. 500 ladesykluser) tillater ikke at NCA-batterier slår konkurrenter. Så langt blir de bare brukt i noen få elektriske kjøretøy.
Obduksjonsvideo av Holy of Holies - NCA-battericeller fra Tesla Model S elektriske kjøretøy:
Litiumtitanat (Li4Ti5O12, eller SCiB / LTO) … Driftsspenning: 2,4 V, energikapasitet opp til 80 Wh / kg, levetid opp til 7000 sykluser (SCiB: opptil 15000 sykluser) En av de mest interessante typene litium-ion-batterier, der anoden består av litiumtitanat-nanokrystaller. Krystallene bidro til å øke overflaten til anoden fra 3 m2 / g grafitt til 100 m2 / g, det vil si mer enn 30 ganger! Litiumtitanatbatteriet lader opp til full kapasitet fem ganger raskere og leverer ti ganger strømmen enn andre batterier. Litiumtitanatbatterier har imidlertid egne nyanser som begrenser omfanget av batterier. Lavspenningen (2.4V) og energiforbruket er nemlig 2-3 ganger lavere enn for andre litium-ion-batterier. Dette betyr at for å oppnå samme kapasitet, må litiumtitanatbatteriet økes i volum flere ganger, og det er derfor det ikke kan settes inn i den samme smarttelefonen.
SCiB-modul produsert av Toshiba med en kapasitet på 45 Ah, en nominell spenning på 27,6 V og en utladningsstrøm på 160 A (pulset opp til 350 A). Veier 15 kg, og er omtrent på størrelse med en skoeske: 19x36x12 cm. Kilde: Toshiba.
Men litium-titanatbatterier ble øyeblikkelig registrert i transport, hvor hurtiglading, høye strømmer under akselerasjon og motstand mot kulde er viktig. For eksempel elbiler Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV og Moskva elektriske busser! Ved starten av prosjektet brukte bussene i Moskva en annen type batteri, noe som forårsaket problemer midt under den første reisen langs ruten, men etter installasjon av Toshiba litium-titanatbatterier, var det ikke flere rapporter om døde elektriske busser. Takket være bruken av titan-niob i anoden, gjenoppretter Toshiba SCiB-batterier opptil 90% kapasitet på bare 5 minutter - det akseptable tidspunktet for en buss å parkere på sluttstoppet hvor det er en ladestasjon. Antall ladesykluser som SCiB-batteriet tåler, overstiger 15.000.
Toshiba Lithium Titanate Batterilekkasje-test. Vil det lyse opp eller ikke?
Energi Singularitet
I mer enn et halvt århundre har menneskeheten drømt om å sette inn batteriene i atomet, som ville gi strøm i mange år. Faktisk, tilbake i 1953, ble en beta-voltaisk celle oppfunnet, der, som et resultat av beta-forfallet av en radioaktiv isotop, konverterte halvledere atomer til ioner, og skapte en elektrisk strøm. Slike batterier brukes for eksempel i pacemakere.
Hva med smarttelefoner? Ja, foreløpig ingenting, atomelementenes kraft er ubetydelig, den måles i milliwatt og til og med i mikrowatt. Du kan kjøpe et slikt batteri selv i en nettbutikk. Imidlertid vil ikke det beryktede armbåndsuret fungere fra det.
Hvor lenge skal du vente på atombatterier? Vennligst City Labs P200 - 2,4 V, 20 års service, er imidlertid strømmen opp til 0,0001 W og prisen er rundt $ 8000 Kilde: City Labs.
Mer enn ti år har gått siden oppfinnelsen av stabile litium-ion-batterier til starten av serieproduksjonen. Kanskje en av de neste nyhetene om en banebrytende kraftkilde vil bli profetisk, og innen 2030-årene vil vi ta farvel med litium og behovet for å lade telefoner daglig. Men foreløpig er det litium-ion-batterier som driver fremdriften innen bærbar elektronikk og elektriske kjøretøy.
toshiba_ru
