В IBM изобрели аккумулятор без кобальта. Материалы для него получили из морской воды

    imageФото: lars_974/Flickr

    Специалисты IBM представили аккумуляторы из материалов, которые раньше не применялись в их составе и могут быть получены из морской воды. При этом тяжелых металлов, таких как кобальт и никель, в аккумуляторе нет.

    По данным специалистов, новые материалы делают аккумуляторы дешевле существующих литий-ионных. При этом они будут иметь более высокие характеристики скорости зарядки и энергетической плотности, а также будут менее огнеопасными.

    В конструкции аккумуляторов использован катодный материал, не содержащий кобальта и никеля, а также безопасный жидкий электролит с высокой температурой вспышки. Комбинация катода и электролита продемонстрировала способность подавлять дендриты металлического лития во время зарядки, тем самым уменьшая воспламеняемость.

    Авторы разработки уверены, что она имеет значительный потенциал для внедрения аккумуляторов электромобилей. Тесты показывают, что для достижения 80-процентного уровня заряда батареи требуется менее пяти минут, а в сочетании с относительно низкими затратами на поставку материалов быстрые и недорогие аккумуляторы нового типа могут скоро стать реальностью.

    Мощность новой батареи превышает 10000 Вт/л, что больше показателей самых мощных литий-ионных батарей. Тесты доказали, что она может быть рассчитана на длительный срок службы, таким образом, считают разработчики, батарею можно использовать в интеллектуальных электросетях и новой энергетической инфраструктуре, где долговечность и стабильность являются ключевыми параметрами.

    Наконец, новые аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии более 800 Вт*ч/л и имеет энергоэффективность более 90 процентов исходя из соотношения энергии для разрядки батареи.

    Команда разработки также внедрила технику семантического обогащения ИИ для дальнейшего улучшения характеристик батареи путем определения более безопасных и высокопроизводительных материалов. IBM заключила коммерческое соглашение с Mercedes-Benz, поставщиком электролита Central Glass и производителем батарей Sidus.
    См. также: «Улучшение работы батарей через химию»
    Кстати, в этом году обладателями Нобелевской премии по химии стали американцы Джон Б. Гуденаф, М. Стэнли Уиттингэм и японец Акира Йошино за исследования по разработке и усовершенствованию литий-ионных батарей. Литий-ионные аккумуляторы впервые появились на рынке в 1991 году и сейчас широко используются во многих устройствах, начиная с мобильных телефонов и заканчивая электромобилями, а также помогают сохранять энергию ветра и солнца. Они заложили основу беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, заявили в Нобелевском комитете.
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 31

      +5

      Из морской воды может быть получено все.

        +14
        В том числе подобная статья
          +3
          Эта из пресной.
        +2
        Using three new and different proprietary materials, which have never before been recorded as being combined in a battery, our team at IBM Research has discovered a chemistry for a new battery which does not use heavy metals or other substances with sourcing concerns.

        Мы изобрели новые аккумуляторы, но мы вам их не покажем.
        Вообще немного странный пресс-релиз без каких-либо ссылок на научные результаты.
          0
          Да, думал как обычно перевод-пересказ подкачал, но прошел по ссылке на оригинал — та же вода, даже еще больше воды. Кроме заявленных параметров удельной емкости и мощности сплошные общие фразы на околоаккумуляторную тему.
          +6
          Шо, опять?
            –1
            ИМХО правильно должно быть наоборот: батарея имеет высокую плотность энергии (свыше 10 кВт*ч/л) и плотность мощности (свыше 800 Вт/л). Потому что сила-она в ньютонах мощность — в ваттах, а энергия — в Вт*ч. Да, я вижу, что перепутано еще в оригинале, но поскольку статья не просто перевод, а все же пересказ — можно бы и поправить.
            P.S. Когда-то в начале-середине 2000-ных с нетерпением ждал выхода на рынок супербатарей на основе конденсаторов. С емкостью (плотностью энергии) круче лития и конденсаторной скоростью зарядки. Причем именно конденсаторов, не ионисторов. На основе сегнетоэлектрика. Обещали как-то оксидной пленкой побороть низкое пробивное напряжение СЭ, оставив огромную диэлектрическую проницаемость. К сожалению, сейчас даже названия не помню этой конторы, ничего у них не вышло, и то, что они сразу начали строить завод по производству этих батарей, не выпустив толковый опытный образец, наводит на мысли о распил-стартапе. Но теперь к любым супербатареям отношусь с изрядным скептицизмом.
              +2

              Аккумулятор с плотностью энергии 10КВт.ч/л не существует и я сомневаюсь что вообще возможна на электрохимическом принципе, даже у воздушно-металлических систем и топливных элементов плотность энергии ниже.

                0
                Да, на электрохимическом принципе это невозможно даже в теории.
                Самый емкий химический аккумулятор исходя из теории это литий-воздушный с чистыми металлическими электродами с одной стороны, а окислитель — из воздуха, т.е. это уже не совсем и аккумулятор, а скорее обратимый топливный элемент.

                Но даже в нем порядка около 5 кВт*ч на 1л предельная емкость в теории, т.к. нужно иметь около 100гр лития на каждый кВт*ч емкости, который даже в чистом металлическом виде около 0.2л объема занимает.

                У обычных ТЭ тоже удельная емкость этого уровня не достигает, т.к. даже у самого химического топлива(водорода, метана, спирта, бензина и т.д.) она до этого уровня немного не доходит. Не говоря уже об учете вместе с непосредственно ТЭ(преобразователя) и емкости для его хранения и подачи в ТЭ.
                0
                И в оригинале и в переводе все правильно: удельная мощность 10 кВт/л, и удельная емкость (запас энергии) 800 Вт*ч/л.

                Мощность очень высокая — где-то в промежутки между лучшими литиевыми аккумуляторами и суперконденсаторами (ионисторами).
                Емкость просто хорошая — на уровне хороших литиевых аккумуляторов.

                А про конденсаторы — это сказки в лучшем случае, в худшем — неудавшаяся попытка мошенничества была (найти инвесторов и кинуть). Ни в каких серьезных исследованиях превзойти литиевые аккумуляторы по емкости у конденсаторов перспектив не просматривалось и не просматривается. По мощности/стоимости/сроку службы — возможно, но не по емкости.
                  +1
                  Вот это я нечитатель :) И ведь знаю же, что 10 кВт*ч/кг это как у бензина, а на литр выйдет и того меньше — а не задумался… Но нет, в оригинале-то все правильно, а вот здесь в переводе — 10000 Вт*ч/л и 800 Вт/л. По крайней мере сейчас.
                    0
                    Да, это было бы выше чем у бензина или даже жидкого водорода (если именно на литр объема, а не массу).
                    Сейчас в переводе действительно неправильно. Точнее числа то все правильные указаны, это единицы измерения перепутаны. По смыслу правильно написано: 10000 относится к удельной мощности, 800 к емкости.
                    Автор исправили правильное на неправильное или так и было? Не помню как изначально было, только мельком глянул и перешел в оригинал возможно на автомате мысленно поправил единицы измерения.
                +1
                Да вроде как практический выбор не сильно большой — или марганец, или железо-фосфаты (хотя мож ещё чего рискнули в катод засунуть, титанаты там, серу...). Лития в морской воде тоже уйма, последние цифры, которые я встречал по поводу рентабельности добычи лития из морской воды — это порядка 70 тысяч $ за тонну карбоната лития (текущая цена на биржах Азии — в районе 12-15 тысяч долларов за тонну), вроде японцы такое заявляли в 2014-ом году, а потом была обнаружена способность оксидов титана выборочно «вытягивать» литий из морской воды, что может ещё удешевить технологию.
                Ну и картинку для понимания, из чего можно сделать катод литиевой батареи, есть и варианты без кобальта и никеля:
                image
                P.S. Думаю, марганец. Железо-фосфатные литиевые батарейки массово применяются в Китае, а вот марганцевые пока только готовятся на замену кобальта, так что «аккумуляторы из материалов, которые раньше не применялись в их составе» может означать и «не применялись ранее в промышленных масштабах»
                  0
                  Марганцевые уже тоже массово производились и применялись. Точнее и сейчас производятся и применяются, но уже явно теряют популярность уступая другим видам. В частности силовые аккумуляторы для разного электроинструмента раньше в основном на литий-марганце делались и некоторые электромобили, из популярных — одна из ранних версий Nissan Leaf на литий-марганцевых батареях была.

                  Ну и в качестве небольшой добавки марганец до сих пор остался в массовом производстве в виде вариаций очень популярной сейчас NMC химии.

                  На графике еще литий-титановых аккумуляторов не хватает. Тоже без кобальта и никеля и тоже давно существуют, хотя в отличии от всех остальных и не могут похвастать массовостью производства и применения по объективным причинам: емкость низкая, цена высокая, что перевешивает все остальные их преимущества.
                    0
                    На графике еще литий-титановых аккумуляторов не хватает.

                    График вверху по катодам, литий-титанат — это анод. Теоретически любая комбинация возможна, только результат по емкости будет хуже при равных размерах, чем с углеродным анодом.
                      0
                      А почему собственно обязательно будет?
                      Текущие графитовые анод же тоже не особо эффективны, насколько помню максимальная емкость «упаковки» ионов в нем это 1 атом лития на 6 атомов углерода (LiC6). И именно углеродный анод сильнее всего емкость текущих литиевых аккумуляторов ограничивает.
                      А все наобещанные (но так и не состоявшиеся на практике) за последние годы прорывы по емкости литиевых аккумуляторов были связаны с заменой анода. Типа вариантов с углеродными или кремниевыми нанотрубками с которыми литий на аноде может упаковываться намного плотнее.
                        0
                        А почему собственно обязательно будет?

                        Дело в возможной разнице напряжений и потенциале относительно металлического лития:
                        image
                        Литий-титанат гораздо лучше при глубоких разрядах, но не при емкости.
                          0
                          По напряжению то да, понятно что лучше графита вроде некуда. Но емкость это напряжение на количество прошедшего заряда, который в свою очередь зависит от соотношения максимально возможного содержания лития в аноде к «субстрату» его удерживающему. А в вот в этом отношении графит очень далек от идеала — лучшее соотношение это 1к6, т.е. на ионы лития приходится всего 1/7, остальное углерод.

                          Собственно ваша диаграмма это и показывает — по напряжению двигаться особо некуда, а вот по емкости (в А*ч) потенциально возможны варианты в разы лучше чем графит.
                          И соответственно итоговая емкость (Вт*ч или Дж) тоже может быть в разы выше, даже при несколько меньшем рабочем напряжении.

                          P.S.
                          Хотя я похоже неправильно понял исходное сообщение. Наверно имелось ввиду что титанат лития в аноде можно комбинировать с теми же самыми перечисленными химиями в катоде, только емкость будет во всех вариантах ниже чем в паре с графитовым анодом?
                          Т.е. что конкретно титанат лития проигрывает графиту по максимальной емкости, а не то что вариантов для анода лучше графита быть не может (изначально я прочитал именно так).
                            0
                            Хотя я похоже неправильно понял исходное сообщение. Наверно имелось ввиду что титанат лития в аноде можно комбинировать с теми же самыми перечисленными химиями в катоде, только емкость будет во всех вариантах ниже чем в паре с графитовым анодом?

                            Да, я это имел ввиду.
                            0
                            А что значит кремний в качестве потенциального анода в самом правом нижнем углу?
                            При этом правее самого лития. Как какой-либо вариант хотя бы в теории может быть более емким чем чистый (металлический) литий?
                              0
                              В том то и дело, что в теории может. По разным оценкам его применением емкость может вырасти в 5-10 раз по сравнению с графитом, но есть много критических недостатков: малая электропроводность, увлечение в объеме в результате заряда (разница в 2-3 раза за цикл) и не настолько хорошая стабильность собственно слоя между электролитом и собственно анодом (Solid Electrolyte Interface, SEI).
                                0
                                Все-равно не понял… То что можно получить результат намного(в разы) лучше чем с графитом удерживающим ионы лития в текущих аккумуляторах — это понятно, тут никаких вопросов.

                                Не понятно как можно получить удельную емкость выше чем у чистого лития, когда 100% активной массы электрода уже и так состоит из активного элемента переносящего заряды — самого лития. Выше 100% содержания активного элемента в электроде уже быть не может.

                                А тут у чистого лития указано ~3750 А*ч/кг массы электрода, а у электрода с кремнием каким-то образом около 4000 А*ч/кг и даже немного больше.

                                По объемной (на литр занимаемого объема) плотности я еще могу представить как можно обойти чистый литий — при помощи какого-нибудь хитрого соединения в структуре которого атомы более плотно «упакованы». У чистого лития очень маленькая удельная плотность (всего ~0.5 кг/л) и наверно возможны структуры в которых несмотря на присутствие других элементов объемное содержание лития будет больше чем у самого лития в чистом виде.

                                Но вот как именно массовую плотность получить выше, т.е. емкость на единицу массы — не представляю. Появление каких-либо дополнительных компонентов в составе активной массы электрода может ее только понижать.

                                Чистый литий и при условии 100% его доли в электроде и при 100% же эффективности его использования, т.е. в конце цикла лития на электроде вообще не остается, может дать до где-то до 3800 А*ч на 1 кг: число моль вещества в 1 кг умножить на постоянную Фарадея. Это теоретический предел — когда каждый имеющийся атом лития участвует в переносе зарядов.

                                Как еще выше этого теоретического предела прыгнуть?
                                Похоже на ошибку на графике/в исходных данных дающих >= 4000 А*ч/кг для электрода с кремнием.
                                  0
                                  По объемной (на литр занимаемого объема) плотности я еще могу представить как можно обойти чистый литий — при помощи какого-нибудь хитрого соединения в структуре которого атомы более плотно «упакованы».

                                  Как раз желание сделать обратное — пористые электроды. По сути применение технологии ионисторов.
                                    0
                                    Ну это как понимаю не для повышения емкости уже делается (она наоборот по-идее снизиться должна)? А для улучшения стабильности электрода при циклировании, что ведет к лучшему сроку службы и повышению безопасности.
                                    Заодно снижению потерь и повышению удельной мощности — за счет большой активной площади, по-идее должно снижаться внутреннее сопротивление.
                                      0
                                      Если брать всю батарею в комплексе, то за счет большей эффективной площади анода емкость тоже растет, по крайней мере в лабораторных тестах.
                                    +1
                                    Похоже на ошибку на графике/в исходных данных дающих >= 4000 А*ч/кг для электрода с кремнием.

                                    Немного поискал информацию — вы правы, здесь перепутаны местами кремний и литий, похоже. Разве что цифры взяты из разных работ, где дополнительные факторы учитывались, вроде типа электролита.
                      0
                      Тесты показывают, что для достижения 80-процентного уровня заряда батареи требуется менее пяти минут

                      пускай «менее пяти минут» это 4 минуты 59 секунд до достижения 80-процентного уровня.
                      имеет энергоэффективность более 90 процентов исходя из соотношения энергии для разрядки батареи

                      пускай «более 90%» это 91% (иначе написали бы «более 97%, если бы было 97.0001% хотя бы)

                      Итого для аккумулятора 100Wh с такой скоростью зарядки будет выделяться 95.26 Вт тепла.
                      Да даже пускай возьмем КПД 95%, получается 50.7 Вт нагрев.

                      И что-то мне подсказывает что эти
                      имеет энергоэффективность более 90 процентов исходя из соотношения энергии для разрядки батареи

                      получены ни разу не для максимальной скорости заряда.
                        0
                        Это указаны эффективность за полный цикл (насколько меньше энергии мы получим при разряде аккумулятора по сравнению с потраченной при заряде), т.е. это тепло нужно разделить на 2 части — часть выделится при зарядке, часть при разряде. Причем сильнее нагрев и больше потери идут ближе к концу цикла, когда ток и мощность уже существенно снижаются по сравнению с первыми 80%.

                        Нагрев приличный, но не критический — без дополнительного охлаждения аккумулятор успеет на несколько десятков градусов нагреться за эти 5 минут. Аккумулятор от этого не испортится, но при частом повторении таких циклов будет быстрее стареть. И поэтому в батареи поддерживающие подобные сверхбыстрые режимы заряда обычно встраивают принудительное охлаждение элементов. Ну а температурные датчики (ограничивающие мощность заряда в случае угрозы перегрева) вообще почти всегда ставят.
                          0
                          Нагрев приличный, но не критический — без дополнительного охлаждения аккумулятор успеет на несколько десятков градусов нагреться за эти 5 минут.

                          Судя по статье, «плотностью энергии более 800 Вт*ч/л», значит 100Wh аккумулятор это грубо 1/8л
                          Даже если предположить что весь этот объем это что-то с большой объёмной теплоёмкостью, например сталь(3,713 кДж/л*K), то в случае с нагревом 50.7 Вт в течении 299 секунд, этой энергии хватит нагреть сталь на 32.66 градусов, а там внутри бутерброд из всего подряд и объемная теплоемкость там раза в два меньше стали, наверное(соответственно нагреется раза в 2 больше).

                          С мощностью и плотностью тоже как-то непонятно, как при такой мощности может быть такая плотность энергии, проводники то внутри тоже приличный объем будут занимать, чтобы иметь возможность такие мощности отдавать.

                          Что-то уж слишком много странных непоняток/несостыковок по тому описанию, что мы имеем в статье.
                            0
                            Теплоемкость не намного ниже, в текущих аккумуляторах там основной объем занимают такие материалы как: алюминий(коллектор), медь( 2й коллектор), сталь (корпус), графит, литий и другие металлы такие как никель/марганец/кобальт (вот тут эту часть вроде бы на что-то заменили, на что пока не ясно). Все с довольно высокой удельной теплоемкостью.
                            Плюс какая-то часть тепла начинает рассеиваться еще в процессе цикла даже без наличия отдельной системы охлаждения — просто за счет конвекции и излучения. Без принудительного охлаждения немного, но какая-то часть тепла все-равно успевает уйти, снижая пиковую температуру. При принудительном охлаждении успевает уйти большая часть тепла.

                            Но да, на несколько десятков градусов внутренности все-таки нагреться могут успеть.
                            Это уже сейчас вполне штатный режим для уже существующих высокотоковых(«силовых») литий-ионных аккумуляторов, которые при предельных заданных производителем токах заряда или разряда могут кратковременно, к самому концу цикла и до примерно +100 градусов внутри нагреваться при условии высокой начальной температуры окружающей среды (обычно ограниченной на уровне не выше +50-60).
                            Это негативно сказывается на сроке службы, но не слишком сильно т.к. нагрев кратковременный.

                            Насчет коллекторов тока — ну да, для высокомощных аккумуляторов нужны коллекторы потолще, но это тоже не проблема, немного от емкости это отъедает (коллектор потолще — значит активной массы на нем поменьше) но не сильно.
                            Тут заявлено 800 Вт*ч/л емкости и 10000 Вт/л мощности.
                            Т.е. работа (при разряде и при зарядке вплоть до 80%) на мощности 12С (ток превышает номинальную емкость в 12 раз).
                            Ничего фантастического — уже существуют серийные литиевые аккумуляторы способные работать на токах до 10С и даже 20С, по крайней мере при разряде.

                            Я сами подобные ячейки закупал и участвовал в сборке батарей еще несколько лет назад. Типоразмер 18650, 2500 ма*ч емкость, длительные токи разряда до 25А (или 10С). Если привести это к формату из статьи это получится примерно:
                            550 Вт*ч/литр (или ~200 Вт*ч/кг) по удельной емкости
                            до 5000 Вт/литр (уже с учетом просадки напряжения под большими токами) по удельной мощности

                            Тут обещают заметно лучше, но совсем не кардинально. Если бы не было в чем-то лучше уже массово производящихся вариантов, то разрабатывать и публиковаться смысла вообще нет — никому ненужный «велосипед» получится.
                        +1
                        — Откуда на Плюке моря? Из них давным-давно луц сделали.
                        — Извините, что сделали?
                        — Топливо, Скрипач, топливо!

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое