05.12.11

Новый тип аккумуляторов для гаджетов, электромобилей и альтернативной энергетики

Самым слабым звеном сегодняшних электромобилей остаются аккумуляторные батареи, которые не только нужно периодически и относительно долго заряжать (по сравнению с процессом заправки жидким топливом). Еще одной проблемой является небольшой ресурс батарей. Например, батареи известной модели компании Tesla Motors, родстера Tesla Roadster, могут гарантированно заряжаться всего около 400 раз. Не слишком далеко от него ушел автомобиль Chevrolet Volt — разработчики гарантируют 2500 циклов заряда/разряда.

Несмотря на столь разные цифры ресурса батарей, оба автомобиля практически не отличаются друг от друга по общему ресурсу аккумуляторов. Их батарей гарантированно хватит на 160 тысяч километров (Tesla Motors проезжает на одной подзарядке 400 километров, а Chevrolet Volt — всего 64 километра). С одной стороны, весьма неплохо. С другой, учитывая долгий срок службы автомобилей выработать полный ресурс батарей не так уж и сложно.

Во всех современных электромобилях применяются литий-ионные аккумуляторные батареи. Однако новый тип батарей — калий-ионные батареи — могут оказаться гораздо долговечнее своих предшественников. Об этом говорят исследования сотрудников Стэнфордского Университета, изготовившие катод для батарей этого типа, и изучившие его свойства. По их данным, новые материалы позволяют получать электроды, деградация которых составляет всего 20% после 40 тысяч циклов заряда/разряда.

Немаловажным фактором для популяризации новых аккумуляторных батарей станет еще и очень невысокая стоимость материалов для изготовления катодов. Это очень важно — в лабораторных условиях некоторым группам исследователей уже удалось создать материалы для электродов с уникальными свойствами. Но на пути их коммерческого применения встает высочайшая стоимость, которая сводит на нет все плюсы.

Но почему именно калий? Он находится максимально близко к литию в ряду стандартных электродных потенциалов — для лития стандартный электродный потенциал равен -2,92 Вольта, а для калия — -3,04 Вольт. В 1999 году разработчики показали, что калий-ионные батарейные ячейки при полном заряде выдают 2,0 Вольт, а при 50-процентном заряде напряжение снижается до 1,0 Вольт. Эти результаты заметно хуже кривой разряда литий-ионных батарей — литий-ионная ячейка при полной зарядке выдает 4,2 Вольт, при 50-процентном заряде — 3,8 Вольт. С другой стороны, должного внимания калий-ионным батареям до сих пор не уделялось, и вполне возможно, что есть существуют пути для улучшения характеристик этого типа батарей.

Для значительного улучшения характеристик калий-ионных батарей необходимо не только создание нового катода, но и поиска оптимальных материалов для изготовления анода. В этом случае удастся реализовать весь потенциал новых аккумуляторов.

Теперь о применении калий-ионных аккумуляторов. Несмотря на то, что подобные батареи найдут самое широкое использовании в качестве элементов питания для портативной электроники, электромобилей, разработчики выделяют одну сферу, которая пока для нас в новинку, но обладает колоссальным потенциалом. Речь идет о сетях хранения энергии.

С развитием альтернативной энергетики, в частности, солнечных батарей и ветряных станций, на первый план выходит задача хранения полученной энергии. Эти типы электростанций не способны круглосуточно вырабатывать электроэнергию, и зависят от смены дня и ночи, изменений погоды. То есть, энергию необходимо запасать для последующего использования при отключении станций. В этом случае аккумуляторные батареи будут часто заряжаться и разряжаться, а с относительно небольшим ресурсом литий-ионных аккумуляторов пользователям придется слишком часто проводить их замену. В случае калий-ионных батарей частота их замены резко падает, делая коммерчески выгодным созданий сетей хранения энергии.

Итак, калий-ионные аккумуляторные батареи обладают существенным преимуществом перед литий-ионными элементами питания. Они даже смогут открыть дорогу для полномасштабного развития альтернативной энергетики по всему миру. В отличие от других «прорывных» технологий запасения энергии, этот вариант жизнеспособен еще и в плане стоимости изготовления и цен на готовые изделия. По сути, нерешаемых задач перед серийным изготовлением калий-ионных батарей пока не видно. Сможем ли мы воспользоваться открывшимися перспективами, пока не ясно, но шансы на успех довольно высоки.