Як ми дійшли до наступного великого прориву акумулятора - кварцу
Ви читаєте ексклюзивну історію для кварцу, доступну всім читачам обмежений час. Щоб розблокувати доступ до всього Quartz, станьте учасником.
Електричні літаки можуть бути майбутнім авіації. Теоретично вони будуть набагато тихішими, дешевшими та чистішими, ніж літаки, які ми маємо сьогодні. Сьогодні електричні літаки з одним зарядом радіусом дії 1000 км (620 миль) можуть бути використані для половини всіх польотів комерційних літаків, зменшуючи викиди вуглецю у світовій авіації приблизно на 15%.
Та сама історія з електромобілями. Електричний автомобіль - це не просто чистіша версія його двоюрідного брата, що викидає забруднення. Це, по суті, кращий автомобіль: його електричний двигун видає мало шуму та забезпечує блискавичну реакцію на рішення водія. Зарядка електромобіля коштує набагато менше, ніж плата за еквівалентну кількість бензину. Електричні машини можуть бути побудовані з часткою рухомих частин, що робить їх більш дешевими в обслуговуванні.
То чому електромашини вже не всюди? Це тому, що акумулятори дорогі, що робить попередню вартість електричного автомобіля набагато вищою, ніж аналогічна модель на газовому двигуні. І якщо ви багато не їздите, економія на бензині не завжди компенсує вищі авансові витрати. Коротше кажучи, електромобілі все ще не економічні.
Подібним чином, нинішні акумулятори не мають достатньої кількості енергії за вагою або об’ємом для живлення пасажирських літаків. Нам ще потрібні фундаментальні досягнення в галузі акумуляторних технологій, перш ніж це стане реальністю.
Портативні пристрої, що працюють від акумуляторів, змінили наше життя. Але є набагато більше, що акумулятори можуть порушити роботу, якщо б лише можна було зробити дешеві, безпечніші, потужніші та енергоємніші батареї. Жоден закон фізики не виключає їх існування.
І все ж, незважаючи на більш як два століття пильного вивчення з часу винайдення першої батареї в 1799 році, вчені досі не до кінця розуміють багато основ того, що саме відбувається всередині цих пристроїв. Ми знаємо, що є, по суті, три проблеми, які потрібно вирішити, щоб батареї ще раз перетворили наше життя: потужність, енергія та безпека.
Не існує універсального літій-іонного акумулятора
Кожна батарея має два електроди: катод і анод. Більшість анодів літій-іонних батарей виготовляються з графіту, але катоди виготовляються з різних матеріалів, залежно від того, для чого буде використовуватися батарея. Нижче ви можете побачити, як різні катодні матеріали змінюють спосіб роботи типів акумуляторів за шістьма мірами.
Виклик живлення
У просторіччі люди використовують взаємозамінні поняття «енергія» та «потужність», але важливо розрізняти їх, говорячи про батареї. Потужність - це швидкість, з якою може виділятися енергія.
Акумулятор, достатньо сильний, щоб запустити і утримати комерційний реактивний літак на відстані 1000 км, вимагає виділення багато енергії за дуже короткий час, особливо під час зльоту. Отже, мова йде не лише про те, щоб накопичити багато енергії, а й про те, щоб дуже швидко витягти цю енергію.
Вирішення проблеми з енергоспоживанням вимагає від нас заглянути всередину чорної скриньки комерційних акумуляторів. Це трохи знервує, але терпіть зі мною. Нові технології акумуляторів часто надмірно роздуваються, оскільки більшість людей недостатньо придивляються до деталей.
На сьогоднішній день найсучасніша хімія акумуляторів - це іон-літій. Більшість експертів сходяться на думці, що жодна інша хімія не порушує іон літію принаймні ще десять років і більше. Літій-іонна батарея має два електроди (катод та анод) із сепаратором (матеріал, який проводить іони, але не електрони, призначений для запобігання короткому замиканню) посередині та електроліт (зазвичай рідина), що забезпечує можливість потоку іонів літію вперед між електродами. Коли акумулятор заряджається, іони рухаються від катода до анода; коли акумулятор щось живить, іони рухаються в протилежному напрямку.
Уявіть собі два батони нарізаного хліба. Кожен хлібець - це електрод: лівий - катод, а правий - анод. Припустимо, що катод складається із зрізів нікелю, марганцю та кобальту (NMC) - одного з найкращих у своєму класі - і що анод складається з графіту, який по суті являє собою шаруваті листи або зрізи атомів вуглецю.
У розрядженому стані, тобто після того, як він був вичерпаний енергією, у буханці NMC є іони літію, затиснуті між кожним зрізом. Коли акумулятор заряджається, кожен іон літію витягується з-поміж зрізів і змушений рухатися через рідкий електроліт. Сепаратор діє як контрольно-пропускний пункт, що забезпечує проходження лише іонів літію до графітової буханки. При повному зарядженні на катодному батоні акумулятора не залишиться іонів літію; всі вони будуть акуратно затиснуті між скибочками графітового короваю. У міру споживання енергії акумулятора іони літію повертаються до катода, поки в аноді їх не залишиться. Саме тоді акумулятор потрібно знову зарядити.
Потужність акумулятора визначається, по суті, тим, наскільки швидко відбувається цей процес. Але не так просто збільшити швидкість. Надто швидке витягання іонів літію з катодного батона може призвести до появи у зрізів дефектів і врешті-решт руйнування. Це одна з причин, чому чим довше ми використовуємо смартфон, ноутбук чи електричний автомобіль, тим гірше триває їх заряд акумулятора. Кожен заряд і розряд призводить до того, що коровай слабшає.
Різні компанії працюють над вирішенням проблеми. Одна ідея полягає в тому, щоб замінити шаруваті електроди чимось структурно міцнішим. Наприклад, 100-річна швейцарська компанія з виробництва акумуляторів Leclanché працює над технологією, яка використовує в якості катода фосфат заліза літію (LFP), який має "олівінову" структуру, та оксид титану літію (LTO), який має Структура «шпінелі», як анод. Ці структури краще справляються з потоком іонів літію в і з матеріалу.
В даний час Leclanché використовує свої акумуляторні елементи на автономних складських навантажувачах, які можна зарядити до 100% за дев'ять хвилин. Для порівняння, найкращий нагнітач Tesla може зарядити акумулятор автомобіля Tesla до 50% за 10 хвилин. Leclanché також розміщує свої батареї у Великобританії для швидкозарядних електромобілів. Ці акумулятори сидять на зарядній станції, повільно витрачаючи невелику кількість енергії протягом тривалого періоду від мережі, поки вони не будуть повністю заряджені. Потім, коли автомобіль стикується, акумулятори док-станції швидко заряджають акумулятор автомобіля. Коли машина їде, станційна батарея знову починає заряджатися.
Зусилля, подібні до показу Лекланше, дозволяють повозитися з хімічними речовинами з батареями, щоб збільшити їх потужність. Тим не менше, ще ніхто не створив акумулятор, достатньо потужний, щоб швидко доставити енергію, необхідну для комерційного літака, щоб перемогти гравітацію. Стартапи прагнуть побудувати менші літаки (до 12 осіб), які могли б літати на акумуляторах з відносно меншим енергоспоживанням, або електричних гібридних літаках, де реактивне паливо важко піднімає, а батареї роблять виліт.