Какие есть альтернативы литий-ионным батареям?
Новости об изобретении новых технологий хранения энергии появляются практически ежегодно. Но широкого распространения ни одна из них пока не получила. Хотя многие варианты могут составить хорошую конкуренцию традиционным литиевым аккумуляторам и со временем заменить их полностью.
Перспективные аналоги Li-Ion батарей
В настоящее время многие коллективы исследователей занимаются разработкой новых технологий хранения энергии. Хотя их изобретения и не могут составить конкуренцию нынешним аккумуляторам, в будущем одна из таких технологий вполне может «выстрелить» и занять их место. К наиболее интересным относятся:
- Литий-кобальтовые батареи. Способны выдерживать до тысячи циклов перезарядки, отличаются высокой энергоемкостью (до 200 Вт·ч/кг). Пока что их использование ограничено отдельными мобильными устройствами основное требование к которым – длительная автономная работа при минимальном весе. Связано это с достаточно высокой ценой таких батарей.
- Литий-марганцевые. Разрабатывались параллельно с технологией Li-Ion, но не получили такого широкого распространения. Отличаются низким внутренним сопротивлением, что позволяет значительно увеличить силу отдаваемого тока. Используются в электроинструментах и других устройствах требовательных к силе тока.
- NMC. Сочетают в себе кобальт, никель, марганец, что позволило заметно улучшить характеристики в сравнении с обычными Li-Ion аккумуляторами. К тому же способны выдерживать более 2000 циклов зарядки. В связи с отличными характеристиками широко используются в производстве электромобилей.
- Железо-фосфатные. Отличаются высокой безопасностью, способны выдержать большой уровень перезаряда без повреждения. Но энергоемкость таких аккумуляторов невелика, поэтому широкого применения пока эта технология не нашла.
Ведутся разработки и множества других аналогов литий-полимерным батареям, например, устройства на основе графена. Но перспектива их распространения пока очень далека, большая часть разработок находятся в лучшем случае на стадии создания лабораторных прототипов. Тестирование батарей происходит с помощью специальных станций — https://ilpa-tech.ru/produktsiya/testirovanie-batarej-stantsii-testirovaniya
Альтернативные технологии запасания энергии
Наиболее перспективной альтернативой является выработка электричества прямо в устройстве, например, в топливной ячейке, работающей на метаноле либо водороде. Попытки внедрения такой технологии предпринимались в начале 2000-х, но успеха не имели.
Еще одно интересное направление – прозрачные солнечные панели. Хотя КПД у них невысок, как и количество вырабатываемой энергии, их можно использовать в качестве замены обычного стекла, что может сделать их неплохим дополнительным источником питания.
Продажа 3d принтеров и 3d печати
Выведение из запоя в домашних условиях — преодоление трудной дороги к здоровой жизни
Проверка проекта компании Адмирал Х
Курсовые и дипломные работы на заказ
Лучшие игровые симуляторы в казино Эльдорадо
Что сможет заменить литий в аккумуляторах?
Роль лития, а точнее, литий-ионных аккумуляторов в нашей жизни трудно переоценить. Они используются повсюду: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в наземном, водном и железнодорожном транспорте и космической технике. Литий-ионные батареи вышли на рынок в 1991 году, а уже в 2019 их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии – за революционный вклад в развитие технологий. При этом литий – дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева очень непросто найти ему замену для создания емких аккумуляторов.
Международный коллектив ученых НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф установил, что вместо лития в аккумуляторах можно использовать натрий, «уложенный» особым способом. Натриевые батареи будут существенно дешевле, при этом не уступая по емкости литий-ионным, а в перспективе и превосходя их.
В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию – натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена – сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль на половину состоит из этого элемента.
Особенный способ укладки атомов – не что иное, как расположение их в несколько слоев, один над другим. Такая структура создается путем перехода атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается сэндвич – слой углерода, два слоя щелочного металла, и снова слой углерода.
«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.
«Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия – при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте», – заключил старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН Захар Попов.
Следующий шаг научной группы – создание экспериментального образца и изучение его в лабораторных условиях. Этим займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф. В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.
Статья об исследовании опубликована в журнале Nano Energy.
- ниту мисис
- аккумуляторы
- материаловедение
- Блог компании Университет МИСИС
- Физика
- Химия
Автопроизводители пытаются заменить литий в аккумуляторах электрокаров
Производство лития для литиево-ионных аккумуляторов в мире явно не догоняет производство электрокаров, являясь к тому же дорогим и экологически грязным процессом. Автопроизводители предлагают альтернативу
—>
Китайское совместное предприятие, в котором участвует Volkswagen, представило автомобиль, в аккумуляторах которого вместо дорогого и дефицитного лития используется дешевый и распространенный натрий. Насколько перспективной может быть эта разработка?
Автомобиль бренда Sehol, который принадлежит совместному китайскому предприятию по производству электромобилей Volkswagen Anhui и JAC Motors — это небольшой автомобиль, вроде малолитражки. Его главная особенность — это натриево-ионная батарея от производителя аккумуляторов Hina Battery. Тестовый образец имеет запас хода в 250 километров. Вроде, немного, но для города вполне достаточно. Конечно, натрий-ионные батареи имеют меньшую емкость. Зато компоненты для них в 50 раз дешевле и экологичнее. И при этом натрий, в отличие от лития можно добывать в избытке из простой морской воды или каменной соли. Это направление, которым в последние годы занимаются многие крупные производители и в разной степени все они добились того или иного успеха, говорит главный редактор журнала «За рулем» Максим Кадаков:
Максим Кадаков главный редактор журнала «За рулем» «Натрий-ионными аккумуляторами серьезно занимаются в Корее, несколько компаний занимаются этим в Китае. Натриевые аккумуляторы интересны. Прежде всего, более доступным и более дешевым сырьем. Натрий дешевле лития раз в 50 или 100. Кроме того натриевые батареи терпимее относятся к полному разряду до 0 и лучше переносят низкие температуры. В чем натриевые батареи проигрывают пока: во-первых, в не доведенности технологий, потому что опытные образцы — это еще не серийное производство, во-вторых, меньшей емкостью — примерно в два раза, чем у литий-ионных того же размера. Разработок много, но путь от опытных образцов до серийного производства непредсказуем».
В среднем для автомобильного аккумулятора надо как минимум 10 килограмм чистого лития. После пандемийного спада цена на него стала резко расти и достигала к началу нынешнего года 80 тысяч долларов за тонну. И хотя после этого она несколько снизилась, все большая зависимость от этого металла у многих вызывает тревогу.
Кроме того, производство лития — вещь мягко говоря, небезупречная с экологической точки зрения. Незадолго до Нового года руководитель литиевых операций американской химкомпании Albemarle Corp. Эрик Норрис в интервью Financial Times выразил уверенность, что цены на литий будут оставаться на высоком уровне, а спрос на него расти со скоростью дополнительные 200 тысяч тонн каждый год. То есть, исходя из нынешней динамики, к 2040 году производство лития потребуется увеличить в 40 раз. Все осознают, что это тупиковый путь, говорит автоэксперт Артем Бобцов:
Артем Бобцов автоэксперт «На сегодняшний момент стоимость электромобиля, стоимость батареи составляет до 40%. Конечно, все производители хотели бы этот компонент удешевить. Не все продвинулись в этом направлении. Toyota много экспериментировала с водородной технологией, но не смогла ее достаточно удешевить для того, чтобы сделать водородные автомобили по более привлекательной цене, и была вынуждена вернуться полностью к электротяге. Многие производители экспериментировали с графеновыми батареями, но они получаются дороже, чем обычные литиевые. Пока все продолжают использовать литиевую технологию, хотя все понимают, что она конечна, потому что заявляемые объемы производства электромобилей на ближайшие 10 лет существенно превосходят возможности по добыче этого металла».
Всего по данным Геологической службы США, разведанные запасы лития в мире составляют порядка 86 миллионов тонн. По его добыче лидируют Австралия, Чили и Аргентина. Также запасы обнаружены в Боливии, Китае, Афганистане. В России 50% запасов лития сосредоточено в редкометалльных месторождениях в Мурманской области.
Больше всего складывающаяся ситуация тревожит Европу, которая приняла решение полностью прекратить продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания уже в 2035 году. И это при том, что собственной добычи лития у нее пока нет. Существуют, правда, планы по достаточно скромному его производству во Франции и еще более расплывчатые — в Португалии, где предполагаются его значительные залежи. Но хотя это пока еще лишь планы, они уже встречают ожесточенные протесты экологов.
Чем заменить литий ионный аккумулятор?
Вопреки преуспеванию литий-ионной технологии и массовому применению Li-ion аккумуляторов, изобретатели не останавливаются на достигнутом. Они продолжают работать над усовершенствованием имеющихся и открытием новых аккумуляторных технологий. Исследования в этой сфере продолжаются и вполне возможно, что со временем появится достойная замена литиевых аккумуляторов. Так, как в свое время Li-ion элементы заменили устаревшие Ni-Cd и Ni-MH модели.
В поисках лучшего
Ученые убеждены в неизбежности прогресса и стремятся создать еще более совершенные накопители энергии. Многие из них хотят заменить литий-ионные АКБ аналогами с еще большим циклическим ресурсом, недорогим и экологически чистым составом, увеличенной удельной емкостью, расширенным диапазоном рабочих температур, стойкостью к высоким токовым нагрузкам и другими преимуществами. К тому же, запасы лития исчерпаемы, его добыча существенно вредит экологии, а при некорректной утилизации химические элементы загрязняют почву, грунтовые и поверхностные воды.
Считается, что аккумуляторы будущего должны:
- иметь увеличенную емкость без ущерба для остальных рабочих параметров;
- быстрее заряжаться и дольше работать на одном заряде;
- обеспечивать стабильно высокую токоотдачу при питании мощного оборудования;
- сохранять хорошие рабочие характеристики на морозе и при высоких температурах;
- эффективно работать годами или даже десятилетиями;
- иметь чистый состав без тяжелых металлов и токсичных компонентов;
- быть доступными, сверхнадежными и абсолютно безопасными в эксплуатации.
Натрий-ионные АКБ как замена литий-ионных
В качестве перспективной замены Li-ion аккумуляторов исследователи рассматривают разные электрохимические системы, в т. ч. модели с ионами натрия. Сейчас они проходят этап доработки и оттачивания технологических решений. Тем не менее, такая замена считается одной из наиболее перспективных.
Натрий – доступный щелочной металл, содержащийся в морской воде и запросто извлекаемый из нее. Но его ионы на ¼ крупнее ионов лития, медленнее передвигаются и не так легко проникают в структуру электродов. Чтобы нивелировать этот недостаток, изобретатели изменили структуру анода. За счет увеличения межслойных зазоров, измененный анод лучше встраивает в свою структуру ионы натрия. Например, хорошие результаты были достигнуты при замене электродов на материалы с пористым слоистым строением.
Теоретическими плюсами Na-ion ячеек выступают:
- доступное сырье;
- состав без лития, кобальта и других металлов, добыча которых сопряжена с множеством проблем;
- цена на 80% меньше, чем у аналогичных аккумов с ионами лития;
- экологически чистый состав;
- нечувствительность к полным разрядам;
- долгий срок службы с сохранением исходных рабочих параметров – стабильная работа на протяжении 5–10 лет;
- медленное старение – снижение емкости наилучших экспериментальных моделей составляет 5% после 100 циклов заряд-разряд и 16% по прошествии 500 циклов;
- возможность производства на заводах по изготовлению литий-ионных аккумуляторов;
- у образцов с твердым электролитом – стойкость к появлению дендритов и связанных с ними внутренних коротких замыканий.
Достижения Na-ion технологии
В 2019 году китайские исследователи испытали огромную натрий-ионную АКБ энерговооруженностью 100 кВт·ч, в состав которой вошло свыше 600 ячеек. С ее помощью было организовано независимое электроснабжение здания исследовательского центра. Изобретатели из Сеульского национального университета также решили заменить литий-ионные аккумуляторы натрий-ионными и создали модель с электродами из ванадия. В результате была достигнута впечатляющая удельная емкость образцов – около 600 Вт·ч/кг.
Швейцарские ученые также преуспели в развитии Na-ion аккумов. Они изобрели порошкообразный электролит из клозобората, обеспечивающий прекрасную проводимость ионов натрия. Используя его с катодом из оксида NaCrO2 и натриевым анодом, они получили образец с удельной емкостью ≈85 мА·ч/г, номинальным вольтажом 3 В и сохранением 80% емкости по прошествии 250 рабочих циклов.
Работают над заменой Li-ion батарей и исследователи из Токийского университета. В их разработке катод выполнен из натрия, а анод – из сочетания оксидов железа, натрия и марганца, причем анодный материал 12 часов прогревался при 900 °С. Полученный образец получил удельную емкость 190 мА·ч/г и номинальное напряжение 2,75 В. Чтобы повысить номинальное напряжение до 3 В, можно применить катод из диоксида титана или графита.
В МГУ им. М.В. Ломоносова также осуществляются работы по усовершенствованию литий-ионных и созданию натрий-ионных элементов питания. Для изготовления катода специалисты химического факультета применяют оксиды Li (Co , Ni, Mn, Al)O2, Na (Fe , Ni, Mn)O2, а также исследуют инновационный материал Na3V2 (PO 4)3. В 2019 году исследователями МГУ был запатентован материал для изготовления катодов β-NaVP2O7. Аноды создаваемых образцов московские изобретатели делают из материала Hard Carbon, в который хорошо внедряются ионы натрия.
Усовершенствование Li-ion технологии
Многие ученые убеждены, что элементы питания с литием нужно не заменять кардинально новыми изобретениями, а совершенствовать. По их мнению, эта технология стала вершиной эволюции химических источников тока. И хотя в окислительно-восстановительной реакции между катодом и анодом может участвовать 90 элементов из таблицы Менделеева, литий среди них – лучшее активное вещество для изготовления катода. У него минимальная масса, минимальный электродный потенциал ( –3,05 В) и максимальная токовая нагрузка (3 ,83 А·ч/г).
Не зря на протяжении 30 лет продолжается совершенствование литиевых АКБ. Используя разное сочетание материалов с неизменно присутствующим в них литием, изобретатели получают подвиды Li-ion накопителей энергии с необходимыми характеристиками. И хотя самыми распространенными остаются модели с катодом из оксида литий-кобальта (у них отличное сочетание напряжения, емкости и токоотдачи), со времени их появления были созданы и более емкие, и высокотоковые элементы с немного измененной химической структурой.
Использование кремниево-полимерных анодов
Ученые используют разные способы, чтобы повысить емкость Li-ion ячеек и улучшить другие их характеристики. Так, исследовательские группы из POSTECH и Южнокорейского Университета Соганг решили заменить традиционный материал анода (графит ) слоистым полимером с высокими показателями стабильности и надежности. Ожидается, что такая замена графитового анода на кремниевый анод с многослойно заряженными полимерами (чередование слоев полимеров с плюсовыми и минусовыми зарядами) приведет к возрастанию емкости в 10 раз.
При этом полимерные связующие препятствуют увеличению объема Si-анода при встраивании ионов. Ковалентная межмолекулярная связь полимера обеспечивает химическое сшивание компонентов. Для восстановления межмолекулярных связей используют возможности кулоновских сил и обратимые водородные связи. Результаты исследований по применению кремниевого анода южнокорейские ученые представили в Advanced Functional Materials.
Сегодня накопители энергии с ионами лития остаются неизменными лидерами и самыми эффективными элементами питания, т.к. полноценно заменить их пока нечем.
Предлагаем к прочтению статью из блога VirtusTec.ru о том, на сколько хватает АКБ квадрокоптера.