luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

В поисках вечной батарейки: как меняются технологии создания аккумуляторов



Десятки компаний стремятся создать новый тип аккумуляторов: повысить энергоемкость, срок службы, ускорить зарядку и сделать так, чтобы батарея разряжалась как можно медленнее. В новые технологии хранения энергии вкладывают огромные суммы — около $3 млрд в год. Согласно оценкам швейцарского банка UBS, за ближайшее десятилетие рынок накопителей энергии может вырасти до $426 млрд. «Хайтек» рассказывает о том, развиваются технологии хранения энергии и почему все упирается в добычу дорогостоящих элементов.

Какие задачи решают новые технологии

За создание литий-ионной технологии трое ученых получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Ведь в том числе благодаря их изобретению расширились возможности по использованию портативной техники (ноутбуков, смартфонов, планшетов). Сегодня к накопителям энергии предъявляют все более высокие требования, и это подталкивает к поиску новых технологий. Важен баланс между габаритами, энергетическими характеристиками и ценой. Первые два параметра можно настраивать в широком диапазоне, но цена остается серьезным препятствием. Да и технологии, использующие литий, упираются в ограничение: лития в природе не так много, а его добыча обходится достаточно дорого. Прогресс последних лет затрагивает, скорее, энергоэффективность, а не качественные характеристики. Хотя разработок много, инновации не так быстро попадают на массовый рынок.



Развитие батарей для электротранспорта, складской техники и космической отрасли происходят существенно быстрее. Технологический рывок произойдет и на массовом рынке, но для этого производители мобильной техники должны выбрать автономность устройств как ключевой элемент добавленной стоимости. Однако ожидание будет долгим. По оценкам Международного энергетического агентства, основной технологией в ближайшие десятилетия останутся литиевые аккумуляторы. Выход новых разработок на рынок прогнозируются не ранее 2025 года. Но фундамент будущих изменений закладывается уже сейчас, основные тренды связаны с технологией быстрой зарядки, уменьшением габаритов и повышением срока службы аккумуляторов.

Стартапы ради быстрой зарядки

Технология быстрой зарядки включает три основных момента: алгоритмы заряда, энергетические параметры и сечение проводника. Если речь о мобильной технике, то ее зарядка не предполагает разнообразия разъемов и кабелей. Type-C стал стандартом для индустрии, поэтому на первый план выходят алгоритмы заряда, такие как Power Delivery и Quick Charge.

Их основная задача — обеспечить передачу большего количества энергии по тому же проводу, не превышая допустимые значения силы тока (до 3 А). Но устройство не должно перегреваться во время зарядки, поэтому сегодня делают упор не только на увеличение зарядного напряжения, но и на разработку специальных алгоритмов, постепенно понижающих мощность (по мере того, как батарея восстанавливает уровень заряда). Кроме того, технология быстрой зарядки становится одним из пунктов, обеспечивающих «привязку» потребителя к экосистеме конкретного производителя.



Канадский стартап GBatteries пытается решить задачу быстрого восполнения заряда с помощью искусственного интеллекта. Быстрая зарядка происходит благодаря последовательным микроимпульсам постоянно меняющегося тока. Действуют умные алгоритмы, которые встроены в зарядные станции: они определяют, когда именно отправить очередной импульс и определяют уровень напряжения, чтобы не навредить аккумуляторам. Технологию планируют совместить с текущим поколением литий-ионных аккумуляторов. Планируется, что благодаря задумке батареи электрокаров смогут восполнять заряд за 5–10 минут. Канадцы разрабатывают зарядные станции и для другой техники.

Технологию быстрой зарядки предлагает и израильский стартап StoreDot. Вместо модификации принципа работы зарядного устройства они обратились к химии самой аккумуляторной батареи. Вместо графита используются олово, германий и кремний в сочетании с органическими соединениями. Заряд батареи, используемой в электросамокате, получилось восполнить всего за пять минут. Специалисты разрабатывают аккумулятор для телефона, который сможет восполнить заряд так же быстро. Среди инвесторов стартапа — Mercedes Daimler и Samsung. Правда, опять же, вопрос в цене — изначально батареи точно не будут дешевыми.

Стартапы, пообещавшие супертонкие аккумуляторы

Если говорить о литиевых батареях, то задача по производству аккумулятора толщиной около 1 мм вполне осуществима. Но если нужно сохранить емкость, физический объем активного вещества в аккумуляторе должен остаться неизменным. Как результат — получится тонкая, но очень широкая батарея. При этом показатели энергетической эффективности устройства будут ниже, чем у его стандартных «собратьев».

Поэтому сверхтонкие литиевые АКБ востребованы лишь в специфических областях приборостроения. Что касается массового рынка, компактные устройства всегда пользуются спросом. Например, в линейке внешних аккумуляторов федеральной дистрибьюторской сети Energon модель Revolter 5000 толщиной всего 5 мм, и такие габариты уже воспринимаются потребителями как супертонкий формат.

Среди технологий, которые позволят сохранить емкость батареи при уменьшении габаритов — стартапы из Японии. К примеру, 3Dom (стартап, который появился в 2014 году в Токийском университете). К 2022 году в планах — производство литий-металлических батарей, которые при таких же габаритах более эффективны, чем современные литий-ионные аккумуляторы.

В основе японской технологии — замена углеродных материалов на металлический литий. Подобная химия обеспечивает более высокую плотность энергии, но одновременно с этим растет риск коротких замыканий и воспламенений.

Стартапы: для долгой службы

Существует много электродных материалов, обеспечивающих выдающуюся устойчивость к циклированию — например, LTO или NMC. Но из-за стоимости такие аккумуляторы недоступны для широкого потребительского рынка. И пока нет предпосылок того, что ситуация скоро изменится.

Но изменения происходят — не только в области химии устройств, но и контролеров, менеджмента заряда, энергоэффективности устройств. Работая в комплексе, они значительно продлевают жизнь аккумуляторов. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, признал: перспективнее улучшение литий-ионных аккумуляторов, а не поиск совершенно новых технологий.



Среди новых технологий, которые собираются предложить рынку — батареи, где дорогие металлы заменены дешевыми и распространенными веществами. Например, американский стартап Conamix обещает убрать кобальт — элемент, который добывают в Конго. Правительство этой республики постоянно поднимает налог на сырье. Текущие разработки позволят уменьшить содержание этого металла в аккумуляторах для электромобилей с 20% до 4%.

Как батареи тормозят развитие перспективных технологий

К сожалению, медленный прогресс в сфере аккумуляторных батарей во многом ограничивает развитие смежных индустрий. Смартфоны, ноутбуки, электромобили становятся все более технологически «нафаршированными» и требуют все больше энергии. Например, активному пользователю смартфона батареи хватает на 6–8 часов. Причем в среднем россиянин каждый день открывает 10–12 приложений. В связи с этим разработчики смартфонов подбирают энергосберегающие программы. Одни производители встраивают приложения в прошивку по умолчанию, другие оставляют выбор за пользователем — предлагают скачать их. Если появятся эффективные батареи, расширятся возможности по использованию программ.

Еще одно направление — солнечная энергия. Большинство установок занимают немало места, а их стоимость высока. Известный факт: львиная часть затрат на развертывание солнечных систем связана с приобретением аккумуляторов, которые будут запасать энергию. Поэтому более дешевые и энергоэффективные накопители обеспечили бы значительно более широкое применение зеленых технологий.

Поиск эффективного хранения энергии происходит и в сфере солнечной энергии. Например, исследователи Стэнфордского университета предлагают альтернативу — использование биологических систем. Технология предполагает извлечение метана с помощью бактерии Methanococcus maripaludis. Затем его планируют преобразовывать в электричество благодаря существующей инфраструктуре.

Есть несколько причин, которые тормозят появление новых более эффективных батарей. Одна из них — чрезвычайно высокая стоимость разработки. По данным Lux Research, в среднем для поддержания работы стартапа, нацеленного на поиск новых решений в сфере хранения и транспортировки энергии, требуется до $40 млн в течение восьми лет. Например, японская компания New Energy & Industrial Technology Development Organization выделила 90 млн на создание батарей нового типа. Но чаще стартаперам приходится искать финансирование. Например, компания StoreDot обратилась к краудфандингу, где удалось привлечь $6,25 млн инвестиций.

Тиражирование новых разработок обойдется еще дороже. Только для создания новой производственной линии и решения сопутствующих задач, по подсчетам, требуется около $500 млн. Поэтому технологии, которые кажутся чудом, не всегда разрабатывают быстро.

Внедрение новых технологий — дело небыстрое. Ведь даже с момента создания стабильных литий-ионных аккумуляторов до старта серийного производства прошло более 10 лет.

Tags: аккумулятор
Subscribe

Posts from This Journal “аккумулятор” Tag

promo luckyea77 june 19, 23:05 11
Buy for 10 tokens
Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Март 2018 года Индустриализация стала основным инструментом достижения экономического богатства стран, начиная с появления прядильных машин в конце XVIII века; при смене технологических укладов менялись местами мировые промышленные лидеры. Какой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments