Только представьте: в настоящее время проходит тестирование технология, которая может стать долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что у нас есть сейчас. Она изменит все, к чему мы привыкли. Электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны, медицинское оборудование, космические корабли – все это станет для нас гораздо удобнее. Эта технология навсегда избавит нас от необходимости использовать ископаемое топливо.
Нет, речь идет не о термоядерной энергии. На самом деле все вышесказанное относится к инновациям в области аккумуляторных технологий. Исследователи называют эти инновации незамысловато – твердотельные аккумуляторы. То же мне прорыв, скажете Вы. Вон у меня в «Москвиче-412» аккумулятор вполне себе твердый стоит. И квадратный. Что они там открыли опять, эти грантоеды-тунеядцы? Что же это за ботва такая? Зачем все это нужно?
Давайте разберемся.
Что такое твердотельные аккумуляторы?
Стандартные аккумуляторные батареи – это устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Состоят они, в основном, из четырех стандартных частей. Это катод, анод, электролит и сепаратор. Катод и анод – это электроды. Электрический ток возникает, когда электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль электродов – производить электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это среда, в которой двигается упорядоченный поток электронов. Ну, и наконец, аккумуляторный сепаратор. Он разделяет два электрода и предотвращает короткое замыкание батареи.
Так вот. Есть одно очень важное отличие между обычными и твердотельными аккумуляторными батареями: электролит. Современные литий-ионные батареи содержат жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, допускают появление кристаллических структур, известных как дендриты. Эти дендриты образуют длинные острые «усы», которые могут проткнуть сепаратор. И вызвать короткое замыкание. А это, в свою очередь, иногда приводит к опасным взрывам. А вот твердотельные аккумуляторы содержат твердый электролит. Который препятствует росту этих вредных дендритов.
Твердотельный аккумулятор имеет гораздо более высокую плотность запасаемой энергии. И при этом риск его возгорания или взрыва значительно ниже. Он занимает меньше места и может работать в более широком диапазоне температур. В общем – просто незаменимая в хозяйстве вещь.😁
Давайте представим, например, как такие аккумуляторы могут изменить эксплуатационные характеристики электромобилей.
Запас хода
Самым большим недостатком современных электромобилей является их ограниченный запас хода. В среднем он не превышает 400–450 км при полной зарядке. И эта полная зарядка занимает до 17 часов! Это зависит от того, заряжается ли автомобиль на станции, или от стандартной розетки дома. И все же, несмотря на такое неудобство, популярность электромобилей продолжает расти. И совершенно очевидно, что в конечном итоге они будут доминировать на автомобильном рынке. Потому что нефть, рано или поздно, на этой планете закончится.
Давайте теперь рассмотрим твердотельный аккумулятор.
Запас хода электромобиля при их использовании увеличивается вдвое. Или даже втрое. Время зарядки сокращается до 15 минут. Исследователи из корпорации Samsung, работающие в области твердотельных аккумуляторов, уже смогли разработать устройство, которое можно заряжать и разряжать более 1000 раз! Оно способно обеспечивать электромобиль энергией на дистанции до 805 км! И еще, при всем этом, оно эффективно работает при весьма экстремальных температурах.
Подобные изобретения могут означать близкий конец дымящих и коптящих транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что эти устройства смогут работать несколько суток от одной (очень быстрой) зарядки. А общий срок службы батареи увеличится с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными. А больший температурный диапазон означает, что твердотельные батареи могут найти широкое применение и в космической технике будущего.
Подобный потенциал не ускользнул от внимания крупных автопроизводителей. Такие компании как Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota уже вложили миллиарды долларов в подобные исследования. Компания QuantumScape, поддерживаемая Биллом Гейтсом, создала твердотельные аккумуляторы со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов. Они способны работать при еще более низких температурах. А Toyota планирует выпуск пробной партии автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году.
И все же самый захватывающий прорыв в этом направлении исходит от человека, о котором Вы, вероятно, никогда не слышали.
Аккумулятор из стекла
Группа исследователей во главе с физиком по имени Джон Гуденаф недавно подала патент на твердотельный аккумулятор, сделанный из стекла и керамики. Эти материалы являются стабильными и негорючими. Подобные аккумуляторы позволяют запасать в 3 раза больше энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Такие потрясающие характеристики были достигнуты путем добавления в электроды натрия и лития. Не менее важно то, что такой аккумулятор вполне доступен по цене (а ведь именно высокая стоимость производства является самой большой проблемой широкого использования твердотельных аккумуляторных батарей). Он рассчитан на более чем 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур такой стеклянной батареи составляет от -20º C до 60º C.
Гуденаф – очень необычный ученый. Он получил 8 научных наград, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы любого компьютера. А сегодня его работы сделали твердотельные аккумуляторы доступными для всех. Мы можем увидеть массовое внедрение этой технологии всего через 3 или 4 года. Хотя, если честно, трудно сказать однозначно, когда она станет доступной для массового использования.
Аккумулятор – это гораздо больше, чем просто удобство. Это ключевой элемент в спасении нашего мира. Более мощные электромобили могут привести к весьма серьезным изменениям на автомобильном рынке. И переходу на более экологически чистые виды транспорта. Твердотельные аккумуляторы могут производиться из экологически чистых материалов, таких как тот же самый натрий, который в неисчислимых количествах содержится в обыкновенной океанской воде.
Не будет ли дефицита соли через 200-300 лет?😁