Появление супер батарей

перспективы в аккумуляторах

Ученые действительно работают над созданием батарей с длительной работой без подзарядки и подзарядкой в течение нескольких секунд? Они скоро получат такие?

Полчаса на машине от города в Рино, штат Невада США и можно увидеть форму здания, которое на следующее десятилетие будет продвигать новые технологии. Это двухэтажная металлическая структура, построенная в пустыне сегодня легко спутать с любым торговым центром американских пригородов. Но внешность обманчива. В следующем году это здание стоимостью около 5000 миллионов долларов, станет крупнейшим заводом батарей во всем мире. В 2020 году, когда он достигнет своей максимальной производительности, он будет иметь возможность производить полмиллиона батарей в год.

Его огромная власть отражена в его названии. Назвали его как Гигафабрика 1 (Gigafactory 1), это будет первый завод компании «Tesla Motors» по производству литиевых батарей, который был построен вместе с японским промышленным гигантом Panasonic с целью поиска решение самой большой проблемы, стоящей перед миром технологии и, следовательно, это также одна из головных болей автомобильной промышленности. После двадцати пяти лет на рынке, литий-ионные батареи были сильно усовершенствованы, но не более.

Компания «Tesla Motors» хочет увеличить производство батареи для удовлетворения потребностей растущего парка электрических транспортных средств. Это также будет ключом к тому, чтобы снизить цену на эти устройства. У Гигафабрики 1 будет производственная мощность эквивалентной той, что существовала во всем мире в 2013 году, и это не будет единственной фабрикой батарей «Tesla Motors». Благодаря им компания может поставить на рынок более экономичные автомобили, чем сейчас есть на рынке.

За пределами литий-ионных батарей
Сейчас идет гонка в поисках батарей способных хранить больше энергии и делать это более безопасно, чем существующие литий-ионные батареи, которые активизировалось в последние годы, но на данный момент нет четкого победителя. «Если вы ищете новую технологию, которая может изменить мир, сделать значительный скачок в качестве, истина заключается в том, что мы еще не достигли ее. Почти все нам удалось сделать, так это улучшить автономные электронные устройства, в частности повысить эффективность процессоров и экранов», сказал Казуо Хираи, президент Sony на выставке литий-ионных батарей.

По существу батарея это устройство, которое состоит из положительного и отрицательного электродов и жидкого электролита, который хранит электрическую энергию посредством химической реакции. Идея этой технологии была представлена Королевскому обществу Лондона в марте 1800 года итальянским физиком Алессандро Вольтом, но только как теоретическое устройство. Прошло шестьдесят лет до того момента, как французский ученый Гастон Планте создал первую батарею, он использовал реакцию серной кислоты со свинцом. Это взаимодействие было удобно и легко контролировать, оно продолжает быть основой батареи используемых в большинстве наших автомобилей, отвечая за питание при запуске двигателя, работу радио и освещение.

Изучение различных применений электрического тока во второй половине XIX века и начале XX привело к разработке новых батарей с более высокой емкостью или более желательными свойствами. В 1899 году шведский ученый Вальдемар Джангнер создал первую батарею из никеля и кадмия, а в 1955 году Льюис Урри вывел формулу щелочных батарей.

Благодаря своей низкой плотности и способности передавать электроны, литий вскоре стал одним из самых перспективных кандидатов по изготовления этих приложений. Первое экспериментальное события произошло во второй половине XX века, но две мировые войны и триумф двигателя внутреннего сгорания отвлек внимание научного сообщества.

Энергетический кризис 70-х годов возродили интерес к этому материалу: в начале этого десятилетия, Михаэль Стенли Уиттингем, исследователь нефтяной компании Exxon, создал первый литий-ионный аккумулятор. В батареи использовался один из электродов из сульфата титана, очень дорогой материала, кроме того реакция было очень нестабильной, он был отвергнут от коммерческого применения.

Произошло чудо, для коммерческого использования были получены литиевые батареи, в этом поспособствовал американский физик Джон Гуденоф, который в возрасте 92-лет продолжал исполнять обязанности профессора в университете штата Техас. «Я не хочу оставлять этот мир без разработанной лучшей батареи, и в моем возрасте у меня все еще есть пожелания», заявил он в недавнем интервью.

Гениальный катод
Гуденоф разработал положительный электрод (катод) на основе соединения из кобальта и оксида лития (кобальтит лития) который впервые позволил производить стабильные и безопасные аккумуляторы. С тех пор, за исключением некоторых доработок, этот катод используется почти во всех устройствах, как наши мобильные устройства, ноутбуки, камеры, портативные музыкальные проигрыватели.

Со стабильным катодом научное сообщество стало работать над анодом, отрицательным электродом. Марокканский ученый Рашид Язами обнаружил в 80-е годы, что графит является особенно эффективным и с этими двумя материалами, японская компания «Asahi Chemical» создала первый коммерческий аккумулятор, которую Sony начала распространять в 1991 году.

Хотя мы постоянно возмущаемся потребностью зарядки наших телефонов и компьютеров, эта аккумуляторная технология усовершенствуется каждый год. В общем, производители способны повысить энергосбережение на 2-5% за счет незначительных корректировок в весе и дизайне катода, анода или использования различных электролитов. Они также добились, по крайней мере, частичной быстрой перезарядки. Это очень полезный трюк, когда мы не можем использовать мобильный телефон из-за разряда аккумулятора и всего несколько минут в баре или в другом месте будет достаточно чтобы частично подзарядить телефон.

Эти совершенствования, однако, незначительные и не революционные. Они позволяют поддерживать автономность более или менее похожую на предыдущие поколения продуктов, но они тянут за собой некоторые проблемы, которые препятствуют использованию этих батарей в последние три десятилетия: литий-ионные аккумуляторы деградируют с течением времени. Они обладают ограниченным сроком работоспособности, которая измеряется в циклах зарядки. Три года назад на подзарядку могло уходить почти целый день.

Есть еще одна проблема: электролит, используемых во многих из них, жидкий и легко воспламеняется. Мы периодически видим видео, в котором ноутбук или другое устройство самовозгорается, в принципе без видимой причины. Короткое замыкание, перегрев или небольшой разрыв в одном из внутренних перегородок может быть достаточным, чтобы создать пламя. Вот почему авиакомпании запрещают перевозку этих батарей в багаже, где случайный огонь будет трудно обнаружить вовремя.

И остается самый большой недостаток из всех: емкость. Литий-ионные аккумуляторы дают около 160 ватт-часов на каждый килограмм веса. Более продвинутые батареи на рынке дают 250 160 ватт-часов на килограмм, но как вы понимаете они недешевые. Если мы хотим устранить чувство тревоги во время вождения электрических автомобилей, аккумуляторы будущего должны быть в состоянии хранить гораздо больше энергии, около 350 160 ватт-часов на килограмм, как минимум. Если нет, единственной альтернативой является размещение большего количества батареи и, следовательно, увеличения веса транспортного средства, стоимости и времени перезарядки.

Как точка отсчета, литий остается наиболее интересным материалом для достижения этого качественного скачка. Поэтому лаборатории сосредоточены на трех областях: совершенствовании технологии анода, то же самое касается и катода; и получение более эффективного и более твердого электролита, что возможно повысит безопасность и также работоспособность устройств.

Для анода наиболее перспективным направлением является использование кремния вместо графита. Во время процесса зарядки кремний поглощает энергии до 10 раз больше на грамм чем графит, но проблема заключается в том, что поглощение также подразумевает расширение. Он вздувается, его размеры увеличиваются почти в три раза, что может привести к катастрофическим последствиям для внутренней структуры батареи.

В Стэнфордском университете в Калифорнии ученые пробуют использовать наноструктурный кремний способный расширяться контролируемым образом, который может быть жизнеспособной альтернативой, но все еще необходимо несколько лет исследований для достижения коммерческой фазы.

Другая альтернатива заключается в том, чтобы заменить анод из графита на графен, этот чудесный материал, состоящий из чистого углерода, который сегодня широко обсуждается научным сообществом. Анод, построенный из нескольких слоев графена, толщиной в один атом будет поглощать большее количество ионов и позволит создать батареи мощностью превышающей в более чем в два раза с тем же весом. Однако этот анод будет наследовать некоторые недостатки, которые сегодня имеют батареи с графитовыми анодами. Во время зарядки, углерод не ведет себя как идеальный материал. Обычно ионы лития полностью не охватывают доступные поверхности, особенно при попытке зарядки на высокой скорости. Вместо этого они склонны разветвляться из определенных точек и способны дорасти до сенсорного катода, что разрушит батарею. Чтобы избежать этого используются внутренние пористые мембраны, но эти перегородки могут охватывать некоторые поры и сокращать срок службы устройства.

Катод является главным элементом. Благодаря использованию наноматериалов некоторым лабораториям удалось сделать их значительно эффективными путем уменьшения расстояния, на которое должны путешествовать ионы, что ускоряет темпы зарядки.

Но создание нового электролита будет представлять самое большое изменение в батареях будущего. Переход от жидкости к твердому материалу сделает их более безопасными, что позволит использовать анод из лития или других металлических соединений. С ними значительно возрастет потенциал, и они смогут заряжаться за гораздо меньший промежуток времени. Некоторые компании начали производить твердотельные аккумуляторы и даже были проведены небольшие коммерческие исследования, например, в автомобильном секторе.

BlueIndy, компания по аренде транспортных средств на улицах Парижа, интегрирует эти твердотельные батареи, которые по-прежнему являются очень дорогими для производства и они все также имеют недостатки. На данный момент нет твердого материала столь же эффективного, как жидкий электролит.

В поисках стабильности
Одно из наиболее перспективных направлений исследований сосредоточено на керамических материалах. Университет штата Мэриленд создал один такой с высокой теплопроводностью, что позволило бы создать более работоспособные и легкие батареи. Эрик Вахсман, профессор машиностроения университета, говорит, что «эти батареи безопасны и обеспечат переход от транспортных средств внутреннего сгорания к электрическим и повысят автономию наших устройств». Проект одобрили даже в НАСА, они видят этот тип прибора в качестве решения хранения энергии в своих будущих космических полетах.

Лучшие батареи с большей емкостью и малым временем перезарядки создадут революцию в транспорте и бытовой электроники, но возможно наибольшее влияние они окажут в области возобновляемых источников энергии, все чаще внедряемой во всем мире благодаря постоянному снижению цен на фотоэлементы и ветряные генераторы.

В Европе, возобновляемые источники энергии могут охватывать более одной трети годового спроса в энергии. Кроме того, существуют часы суток и определенные сезоны года, когда можно полностью обеспечить энергией все население. Проблема заключается в том, что ветрогенераторы и солнечные батареи производят электроэнергию с перерывами и способствуют скачкообразному спросу.

Мы, как правило, больше энергии потребляем в ночное время, когда нам нужен искусственный свет при возвращении домой с работы. В эти часы мы вынуждены использовать сеть, которая по-прежнему поступает от электростанций, работающих на нефти или ядерной энергии. Аккумуляторы способны разгрузить потребность в энергии, они могли бы убрать некоторые недостатки системы энергообеспечения и хранить электричество в течение дня для его потребления в ночное время.

А также рекомендуем:
парит автомобиль над рекой
Это транспортное средство, предназначенное для рек в крупных городах, является экологически чистым, тихим и не создает волны. SeaBubble представляет собой электрическое транспортное средство, которое вмещает четырех пассажиров, включая водителя, оно способно ...
Подробнее
оптимисты и пунктуальность
Оптимистичные люди более не пунктуальны, чем остальные. Об этом сообщает последний опрос, проведенный Калифорнийским государственным университетом в Сан-Диего (США), результаты которого были опубликованы в журнале «Human Performance». Почему оптимисты настолько непунктуальны? ...
Подробнее
Автомобиль без руля от Гугла
Электрическую или бензиновую? Хотя споры по поводу вида энергии, используемую автомобилями будущего остается открытой, другие технологи идут вперед и уже добиваются определенного успеха. Ярким примером возможностей автомобиля является последнее заявление ...
Подробнее
Чем так полезен зеленый чай
Кроме того, что он хорошо борется с ожирением, раком, сердечными болезнями, сахарным диабетом 2 типа и старением, теперь исследователи пришло к выводу, что зеленый чай улучшает наши когнитивные функции мозга, ...
Подробнее
Фото. Пересадка головы
Итальянский нейрохирург утверждает, что способен привить новое тело голове пациента. Чтобы это осуществить он сначала хочет выполнить эту операцию на обезьянах. Это заявление достойное научно-фантастического фильма было опубликовано в международном журнале ...
Подробнее
SeaBubble, автомобиль парящий над водой
Оптимисты самые непунктуальные люди
Гугл создает свою собственную автономную машину
Зеленый чай стимулирует работу нашего мозга
Пересадка головы, возможно ли это?
Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

Оставить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :schu: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :njam: :mrgreen: :lol: :laila: :idea: :grin: :gaf: :foto: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: