Да, все мы читали на Хабре о новых видах аккумуляторов, больших и малых. Публиковались новости и статьи обо всём в этой отрасли — от атомных батареек до необычных электролитов. К сожалению, до сих пор в мире первую скрипку играют литиевые аккумуляторы, новые разработки широкого распространения не получили. По крайней мере, пока.
Но уже хорошо то, что исследования в этом направлении ведутся, возможно, в ближайшем будущем мы и услышим о новинках. Одна из них, появившаяся совсем недавно, — батареи на базе цинка.
Что это за элементы?
Группа учёных из нескольких университетов, Чалмерса, Линчепигского и Карлстадского, предложили новую технологию, которая и базируется на цинке. Не на чистом металле, конечно, а на специфическом полимере. Его использование позволяет обеспечить безопасность батарей — они не взрываются, как некоторые литиевые, не горят и не боятся технологий быстрой зарядки.
Кроме того, продолжительность работы таких аккумуляторов весьма велика — после 8 000 циклов, по словам авторов проекта, они сохраняют около 80% от изначальной ёмкости. И это при том, что их можно много тысяч раз заряжать ускоренно. Литиевые элементы такого «не любят», но для цинковых всё нипочём. Кажется, единственное, что не по нраву новым аккумуляторам — это источники питания с мощностью меньше стандартной.
Но и тут ничего смертельного. Если использовать слабый источник питания, то после 2 000 циклов ёмкость батареи нового типа упадёт до 75%. Это не катастрофа — некоторые литиевые аккумуляторы, особенно в ноутбуках, просто не доживают до такого возраста. Плюс ко всему цинковые элементы питания не боятся жары или холода, так что их ёмкость остаётся примерно равной в течение долгого срока эксплуатации.
Технические подробности
В возможности использования цинковых элементов нет никакого секрета — об этом известно довольно давно, так что здесь шведы не срывают покровы и не изобретают нечто радикально новое. По словам группы учёных, им просто удалось решить проблему цинковых батарей. Дело в том, что у взаимодействия цинка с водой в электролите есть отличительная особенность. При комнатной температуре никакой реакции не происходит, но если будет жарко, то идёт взаимодействие с выделением водорода и образованием оксида цинка. В итоге элемент питания выходит из строя. Ещё одна проблема — это рост образований, которые похожи на иглы. Они появляются в любых батареях, включая литиевые. Но в цинковых элементах эта реакция происходит быстрее, чем в других.
Так вот, шведские специалисты смогли решить эту проблему. Они разработали нестандартный электролит, «водополимерный солевой» (Water-in-Polymer Salt Electrolyte, WiPSE). Его основа — полиакрилат калия. И вот в нём нет реакции цинка с водой, о чём говорилось выше, а также появляется несколько положительных моментов, о которых было упомянуто ранее.
Насчёт коммерциализации технологии, как всегда, есть прототип, коммерческого образца нет. Именно в этом и состоит основная проблема подобных разработок. Учёные что-то создают, а бизнес может и не использовать идею. У шведов сейчас есть лишь небольшой прототип. Но они считают что цинковые аккумуляторы с новым электролитом могут с успехом применяться в различных отраслях. Размер их может быть разный — от маленьких, для работы в умных часах до очень больших для установки в электромобили.
Кроме того, цинковые батареи относительно безопасны для окружающей среды. Если говорить о старых аккумуляторах на цинке, то переработке поддается 99% исходного материала.
А ещё и натрий
Натриевые батареи совершенствуют сразу несколько компаний. Это тоже не новая технология, главное — получить коммерчески выгодные образцы аккумуляторов. Этим и занимается, например, компания Northvolt. Она ранее специализировалась на Li-Ion батареях, но теперь расширяет свои возможности, работая над технологией натриево-ионных аккумуляторов. «Два года спустя мы можем смело сказать, что наша технология — самая эффективная на рынке. Речь идёт об энергетической плотности 160 ватт-часов на килограмм. Это сравнимо с плотностью существующих батарей с фосфатом железа (LFP)», — говорит Андреас Хаас, старший менеджер программы по новому направлению Northvolt. Несмотря на то, что натриево-ионные батареи могут иметь меньшую энергетическую плотность по сравнению с другими типами аккумуляторов, ценовое преимущество и безопасность делают их более привлекательными для потребителя.
«В последние годы мы изучали потребность в батареях LFP, — говорит Хаас. — 99% катодного материала для них поставляется из КНР, и в мире не существует конкурентоспособного способа его производства в другом месте. Так что натриево-ионные батареи — это лучшая альтернатива на сегодня».
Компания Northvolt теперь использует материал Prussian White в качестве катода и твёрдый углерод из биоотходов для анода. Prussian White — это вещество с содержанием железа, созданное в 1704 году. Джон Гуденофф обнаружил, что его структура позволяет эффективно включать ионы натрия, делая его перспективным материалом для катода в натриево-ионных батареях. Его плюс ещё и дешевизна. Его использование в сочетании с новыми технологиями производства позволяет снизить углеродный след продукции и риск возгорания во время эксплуатации.
Хаас отмечает, что натриево-ионные батареи имеют ряд преимуществ перед Li-Ion. Во-первых, натрий можно добывать из солёной воды, которая есть везде, в то время как литий имеет более ограниченное географическое распространение. Кроме того, использование натриевых батарей позволяет не зависеть от таких дорогих материалов, как никель, кобальт, медь и графит, что будет способствовать стабилизации цен и уменьшению общей стоимости батарей.
В целом, хотелось бы надеяться на то, что рано или поздно в электронной индустрии всё же появятся новые аккумуляторы, которые по ряду параметров будут превосходить традиционные Li-Ion элементы.
