25 июля 2021 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

Революции не будет. Потеснить литийионные аккумуляторы никому не удается

Прошлой зимой в Калифорнии запустили самую большую в мире перезаряжаемую аккумуляторную литийионную батарейку, которая способна четыре часа питать 225 000 домов. По сути, она делает то же, что и батарейка вашего смартфона: собирает, хранит и отдает энергию для последующего использования человеком.

Уникальная простота

С литийионной батарейкой каждый из нас хорошо знаком, сталкивался не раз в бытовой технике и электронике.

В такой батарейке есть два электрода — положительный и отрицательный, катод и анод, плюс и минус. Как правило, наиболее популярным материалом для минуса выступает графит, для плюса — оксид кобальта.

В графитовой ловушке на минусе заключены атомы лития. У них есть электроны — отрицательные частицы, которые оксид кобальта хотел бы забрать, ему не хватает. Но мешает жидкий электролит или сепаратор, смоченный в жидком электролите, который переносит только положительный заряд.

Аккумулятор плюсом и минусом подключают к соответствующим контактам в корпусе смартфона. Как только между катодом и анодом возникает дорожка, электроны лития выскальзывают из ловушки и длинным путем через все компоненты смартфона устремляются к кобальту на плюсе. Тем временем литий, который потерял электрон, становится положительным ионом и свободно проходит через электролит, встраиваясь в оксид кобальта.

Так в общих чертах и работает аккумулятор. Когда все ионы лития переходят на плюс, то на минусе не остается его электронов. Соответственно, нет и электрического тока. Когда мы подключаем батарейку к внешнему питанию, начинается химическая реакция — электроны и литий возвращаются в графитовый анод, на минус. И все можно повторять заново.

Такую литийионную батарейку в коммерческое использование еще в 1991 году запустила компания Sony для своей пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. И с тех пор батарейка приобрела широкую популярность, прошла несколько доработок, но в целом остается неизменной.

Масштабируй

Этот же принцип используется и на самой большой батарейке в мире — хранилище энергии в местности Мосс Лэндин на берегу штата Калифорния. Ее построила компания Vistra Zero на месте бывшей электростанции, работавшей на природном газе. Зимой 2020 года гигантскую литийионную батарейку на 300 мегаватт подключили к местной электрической сети.

Всего на объекте установлено более 4500 аккумуляторных стоек. В каждой из них находится по 22 батарейных модуля. Они улавливают избыточную электроэнергию из сети в часы высокой солнечной активности, а отдают, когда потребность в электричестве максимальна, а солнце светит уже не так ярко — обычно рано утром или ближе к вечеру. Это своеобразный впечатляющий костыль для перехода к экологически чистой энергии будущего.

Стойки для аккумуляторов и сами батареи произвела южнокорейская LG Chem — химическое подразделение LG Group. С 1995 года там занимаются разработкой литийионных батарей, а с 1999-го — их производством. За это время минимизировали мертвое пространство, увеличили плотность энергии и устойчивость батареек, добавили в сепаратор нанопокрытие из частиц керамики. Все это красиво упаковали в модули, модули — в стойки, стойки — в контейнеры. И теперь продают как решение под ключ весом в 60 тонн.

Но в сущности это все те же литийионные батарейки, только огромного масштаба.

Не без недостатков

Они снискали популярность благодаря своей высокой емкости, компактности и относительно доступной цене. Но и у них есть ряд недостатков.

Без контроллера питания такая батарейка перезарядится, перегреется, вздуется и взорвется. Механические повреждения также грозят вызвать ЧП. Думаю, все помнят историю смартфонов Galaxy Note 7. Разработанные Samsung батареи для этих смартфонов имели один конструктивный недостаток. Электроды в правом верхнем углу батареи были подвержены изгибу. Это ослабляло разделение между плюсом и минусом, что приводило к тепловому разгону и короткому замыканию.

Несмотря на то, что литийионные батареи подвержены старению, саморазрядке, чувствительны к температуре, они остаются самыми популярными для потребительской электроники вариантами аккумуляторов.

Тут стоит отметить, что литийионные батареи бывают разные. Для мобильной техники используют литийкобальтовые. Большие литийтитанатные можно наблюдать в электробусах. У них лучше показатели долговечности, безопасности, шире температурные режимы работы. Но они дорогие.

У литийфосфатных батарей более долгий срок службы, стабильное напряжение разряда, они существенно безопаснее, но менее емкие. А потому используются преимущественно в энергетике и для транспорта.

У всех есть какие-то минусы и плюсы, которые и определяют сферу их применения. И кажется, что революционных прорывов в этой области для обычного потребителя уже не случится.

Попытки революций

Интернет мне подключили 17 лет назад. С тех пор я регулярно читаю новости о том, что ученые вот-вот изобретут очередной революционный вид аккумуляторной батареи. Она будет и заряжаться мгновенно, и работать раз в 10 дольше, и места занимать меньше. Но время идет, а эти прорывные разработки, как оказывается, не могут изжить свои ключевые недостатки. То аккумулятор для нормальной работы надо разогреть до 150 градусов, то стоит он как флагшток в Гомеле, то емкость спустя пару зарядок падает в разы, то 10 000 гарантированных циклов заряда-разряда оказываются достижимы при смехотворной емкости, годящейся лишь для питания настенных часов.

В 2004 году компания Toshiba представила топливную ячейку на метаноле. Эту батарейку весом 9 грамм предлагалось использовать в небольших цифровых устройствах — аудиоплеерах или беспроводной гарнитуре. Для 20 часов работы MP3-плеера нужно было влить в топливную ячейку 2 кубических сантиметра высококонцентрированного метанола, который вступал в реакцию с воздухом.

Зарядка происходила быстро, батарейка была компактной. Вот только с собой надо было таскать баночку с метанолом. Идея затухла.

В 2007 году стартап Leyden Energy пообещал создать литийионную батарейку нового поколения. Внутри был кремниевый катод и новый электролит, что позволяло увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам. В 2011-м такую батарейку выпустили для ноутбуков, но она оказалась более дорогой, чем традиционный конкурент. Компания попробовала делать аккумуляторы для электровелосипедов и автомобилей, батарейки для системы «старт-стоп», но ничего не выгорело. Патенты были распроданы, стартап закрылся.

И таких прототипов, которые не смогли конвертировать пустые обещания в коммерчески жизнеспособный продукт, было чертовски много.

Металл, твердый электролит и японцы

Но есть все-таки парочка, которая способна что-то поменять в застоявшемся мире аккумуляторных батарей, если все пойдет хорошо.

Стартап SolidEnergy Systems с 2012 года работает над литийметаллическими батарейками. Вместо графита или кремния на аноде там используют очень тонкую литийметаллическую фольгу.

С перезаряжаемыми ячейками Li-Metal экспериментировали еще в 1980-х годах. Но от них отказались из-за пожароопасности. В батарейке образовывались дендриты металлического лития, которые проникали в сепаратор и приводили к взрывам.

В SolidEnergy заверяют, что сделали прорывное твердое защитное покрытие из полимера и неорганических материалов, наносимое на поверхность фольги и препятствующее росту литиевого мха внутри батареи. Но при этом оно пропускает ионы лития и не мешает батарее выполнять свое предназначение.

В результате новые батарейки обладают такой же емкостью, как стандартные, но размеры у них раза в два меньше.

В стартап уже вложились General Motors и Hyundai, которые планируют использовать эти батарейки в своих будущих электромобилях. Беда только, что опытную производственную линию построят только в 2023 году. Пока все вышесказанное остается прототипом. Многообещающим, но всё же. Возможно, лет через пять мы увидим такие батарейки в электронике.

BMW и Ford инвестировали средства в немцев из Solid Power, создающих твердотельный аккумулятор без жидкого электролита, что должно быть безопаснее для конечного продукта. В электромобилях той же Tesla используются литийионные батареи с жидким электролитом. Их повреждение может привести к красочному и трагическому пожару.

Поэтому автопроизводители и смотрят в сторону стартапов, которые экспериментируют с твердыми электролитами, обеспечивающими безопасность батареи. У Solid Power есть инвестиции, но там тоже пока многое неясно, пилотная линия запустится лишь в начале 2022 года.

Чтобы вы понимали, пока нет конкретной производственной линии, говорить о каких-то прорывах и успехах в сфере аккумуляторных батарей нельзя. Тут показателен пример американской QuantumScape. Осенью компания объявила, что сделала огнеупорные твердотельные батареи, которые спустя тысячу циклов держат 80% емкости. Акции компании взлетели на 256% всего за месяц. А потом выяснилось, что прототипы — размером не больше батарейки для часов Apple. И за пределами лаборатории их никогда не тестировали. Так что ко всем революционным разработкам в мире батареек надо относиться даже излишне скептично.

Но если вам интересны прорывы в этом направлении, которые близки к реализации, то стоит следить за японцами. Hitachi Zosen весной показала твердотельный аккумулятор с емкостью 1000 мАч и рабочими температурами в диапазоне от минус 40 до 100 градусов по Цельсию. Но использовать батарею планируют в космосе — ни про бытовую электронику, ни про электромобили ни слова. А это значит, что увеличить емкость для соперничества с литийионными аккумуляторами, скорее всего, не получается. К тому же про выходное напряжение нового аккумулятора ничего не говорят, а его использование в космосе намекает на сумасшедшую цену производства.

Что-то любопытное может показать японская Murata Manufacturing. В небольших количествах производство твердотельных батареек запустят этой осенью, расширят выпуск в 2022 году. Хотят производить 100 000 батареек в месяц. Вот только они будут устанавливаться в носимую электронику и электроинструменты. Это также как бы намекает на невозможность конкурировать со стандартными литийионными батареями.


Пока же именно они вот уже 30 лет остаются королями мобильной электроники. И потеснить их некому. Революция произошла 30 лет назад. Черт знает, сколь долго нам ждать следующей. Остается лишь надеяться, что однажды новость об очередном прорыве в этой сфере будет уже не пшиком, а пророчеством, которое избавит нас от необходимости заряжать смартфоны каждый день.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович
Без комментариев