Как добавить батарейке мускулов

Литий-ионные батареи, так много значащие для нас сегодня, нуждаются либо в серьезном усовершенствовании, либо в полной замене. Но десятилетия исследований в этой области так и не принесли достойного результата. Пока не пришли хорошие новости.
Эрик Софдж
1
14734
  • Благодаря пористой структуре и большей площади поверхности электродов плотность энергии литий-ионной 3D-батареи Прайэто в пять раз выше, чем стандартной литий-ионной.
    Благодаря пористой структуре и большей площади поверхности электродов плотность энергии литий-ионной 3D-батареи Прайэто в пять раз выше, чем стандартной литий-ионной.

Благодаря быстрой зарядке и высокой энергетической плотности литий-ионные батарейки произвели в нашей жизни целую революцию. Они заставляют работать телефоны, ноутбуки, планшеты и все возрастающее число электрических транспортных средств. И требования к емкости батарей постоянно возрастают.

Литий-ионная (Li-Ion) батарейка состоит из четырех базовых компонентов. Анод и катод, называемые электродами, выталкивают положительные ионы лития в маленькое море электролита, при этом высвобождаются электроны, движение которых по цепи и питает подключенное устройство. Ионы лития движутся от катода к аноду, если батарея заряжается, и в противоположном, если она разряжается. Между электродами установлен сепаратор — перфорированная пленка, она пропускает ионы, но не дает соприкасаться аноду с катодом. Если электроды соприкоснутся, случится короткое замыкание, батарейка начнет греться, а потом взрывоопасный электролит разорвет ее на куски. Вот это-то свойство литий-ионной батарейки и находилось под пристальным вниманием общественности — то и дело поступали сообщения о горящих электромобилях и взрывающихся батареях ноутбуков. Однако, хоть горящие батарейки и неприятная вещь, все же поиски замены литий-ионным аккумуляторам продиктованы в первую очередь желанием уместить большее количество энергии в более компактные и более дешевые элементы питания.

Воздушные замки

Еще в феврале этого года будущее батареек формулировалось в сочетании слов «литий-воздушный». «Батарея, которая дышит», использует поток кислорода для высвобождения большого количества электронов из анода. Эта технология позволяет снизить как стоимость, так и вес батарейки, что связано с увеличением энергетической плотности. Например, электромобили с таким аккумулятором смогут увеличить свой запас хода со 160 до 800 км. Уже казалось, что столь прекрасная технология вот-вот войдет в нашу жизнь. Компания IBM объявила, что один из ее приоритетных проектов — Battery 500 Project — уже к 2020 году может привести к появлению коммерческих образцов. Но месяц спустя IBM передумала, сообщив, что сворачивает проект из-за его высокой стоимости.

Судьба литий-воздушной технологии весьма показательна для данной сферы исследований. В научных идеях, призванных сбросить с пьедестала литий-ионную батарейку, недостатка нет, но путь к коммерциализации этих решений остается слишком сложным. Получив собственный патент на новую технологию хранения энергии, производитель электромобилей Tesla Motors тем не менее реализует проект своей «Гигафабрики» (Gigafactory). Это предприятие стоимостью $5 млрд позволит выпускать полмиллиона традиционных литий-ионных аккумуляторов в год.

Батарейка из мочалки

И потому, может быть, самым многообещающим аспектом новой технологии, разрабатываемой Эми Прайэто, руководителем и сооснователем компании Prieto Battery (штат Колорадо, США), заключается в том, что это… литий-ионная технология. Но в данном ее варианте небезопасный сэндвич из слоев — анод, сепаратор, катод плюс электролит в качестве жидкой «приправы» — превращается в «чащу» переплетающихся материалов. Анод и катод становятся здесь не отдельными компонентами, но, скорее, двумя типами покрытий, нанесенных на переплетение медных волокон, чем-то напоминающее металлическую мочалку для чистки кастрюль. Нанесение этих покрытий друг над другом увеличивает их общую поверхность и сокращает расстояние, которое придется преодолеть ионам. Прайэто называет свое изобретение трехмерной твердотельной литий-ионной батареей, так как заряженные частицы движутся по всей длине волокон с покрытием, вместо того чтобы перемещаться сквозь жидкий электролит и сепаратор от анода к катоду или обратно.

  • Сотрудник Эми Прайэто и сооснователь Prieto Battery Дерек Джонсон очищает губчатую основу батареи от загрязнений, прежде чем на нее гальваническим методом будет нанесен анодный слой. В компании уже создана пилотная линия по производству 3D-батарей.
    Фото
    Сотрудник Эми Прайэто и сооснователь Prieto Battery Дерек Джонсон очищает губчатую основу батареи от загрязнений, прежде чем на нее гальваническим методом будет нанесен анодный слой. В компании уже создана пилотная линия по производству 3D-батарей.

Потенциальные преимущества технологии Прайэто просто огромны. Смартфон или электромобиль с такой батареей будет работать на одной зарядке в пять раз дольше, а сама зарядка займет минуты вместо часов. Кроме того, «губкой» из медных волокон можно заполнить любой нестандартный объем, после чего нанесение катода (он заполняет собой все пустоты) придаст конструкции структурную прочность. Таким образом, наряду с привычными прямоугольными батарейками по этой технологии можно создавать аккумуляторы необычных форм для гаджетов типа Google Glass.

В дополнение к значительно возросшей энергетической плотности по-настоящему революционным технологию Прайэто делает тот факт, что батарея не взрывается. Эта конструкция, по сути, исключает те неприятные события, которые происходят с литий-ионной батарейкой из-за перегрева. Главная роль тут отводится еще одному слою, наносимому на медную проволоку, — Прайэто называет его полимерным электролитом. Слой наносится после анода и до катода и способен проводить ионы лития между электродными слоями. Это сухое и невоспламеняющееся вещество заменяет собой две «ахиллесовы пяты» традиционной литий-ионной технологии: пластиковую пленку сепаратора, которая может порваться, и жидкий электролит, который отлично горит.

Путь компании Прайэто к коммерциализации имеет два направления. В этом году фирма рассчитывает начать продажу анодов более традиционной конструкции, которые при этом безопаснее, обеспечивают большую энергетическую плотность и могут быть вставлены в традиционные батарейки. Но звездным часом компании должен стать выпуск фактически заново изобретенной литий-ионной батарейки, которая сможет хранить в себе в пять раз больше энергии и не будет гореть или взрываться.

Однако для полета к звездам нужно, чтобы ракета стартовала. А ведь совсем недавно работа практически встала из-за проблем с твердотельным полимерным электролитом. И вот решение найдено! На отснятом в лаборатории видео прототип батарейки впервые заставляет светиться светодиод. «Это было действительно круто! — говорит Прайэто. — Как только мы добились прорыва с электролитом, я начала понимать, что эта штука действительно заработает».

Технологии и корпорации

Но трубить в победные трубы пока рановато. Есть еще немало проблем, связанных со спецификой стартапов. Какая из них наиболее серьезна? Убедить крупные компании начать производство 3D-аккумуляторов. И Эми уже думает об этом. С самого начала она планировала не только разработать батарейку, но и создать недорогую модульную технологию ее производства. Компания уже построила экспериментальную производственную линию в лаборатории Университета штата Колорадо, где Эми имеет профессорскую должность. Цель — показать промышленникам, что не обязательно сразу вкладывать $40 млн в огромный завод, производство можно начать с небольших объемов.

Это кажется невероятным, но производственная линия не размещена в «чистой комнате» и не отгорожена от мира паровыми ловушками, которые высасывают ядовитые испарения. Прайэто принципиально избегает использования токсичных химикатов, которые широко применяются при производстве стандартных Li-Ion-батарей, — для нее это вопрос морального выбора. С другой стороны, экологическая чистота производства позволит в будущем сэкономить на очистных сооружениях и утилизации токсичных отходов.

Эми Прайэто пока не настроена называть имена потенциальных стратегических партнеров, уже продемонстрировавших интерес, однако считает, что ее сверхстабильная в химическом отношении батарея могла бы работать, например, в беспилотных подводных аппаратах, где нельзя применять стандартные Li-Ion-аккумуляторы из-за угрозы возгорания. Фирма рассчитывает, что уже в 2016 году их батарея появится (пока в ограниченном количестве) в каких-то доступных потребителю устройствах.

Это, конечно, очень оптимистический сценарий, и для его воплощения в жизнь потребуются настоящие прорывы, которые, впрочем, имеют мало общего с наукой. «Вы не представляете себе, — говорит Прайэто, как трудно поначалу настроиться на образ мысли инвесторов. С одной стороны, их интересует сама революционная идея. Но с другой, им нужно расписать все шаги по ее реализации с точки зрения сроков и ресурсов. Вот тогда-то и тогда-то будут такие-то открытия. Но сейчас уже гадать не приходится. Я страшно довольна. Все основные открытия уже сделаны!».

Из чего состоит 3D-батарея

Из-за своей мочалкоподобной конструкции 3D-батарея, разработанная компанией Prieto Battery, имеет гораздо большую поверхность электродов, что потенциально позволяет запасать в пять раз больше энергии и свести время зарядки к нескольким минутам. В основе батареи своего рода губка из тонкой медной проволоки (1), на которую последовательно наносятся в виде слоев основные компоненты. Сначала субстрат покрывают слоем антимонида, который послужит анодом (2). Следом на него укладывается слой полимерного электролита (3), который препятствует короткому замыканию между анодом и катодом. При этом твердый электролит пропускает через себя ионы и, что немаловажно, пожаробезопасен. Последний, катодный слой (4) заливается в конструкцию в виде жидкого раствора, он заполняет все пустоты и, застывая, придает батарее структурную прочность (5). Такая конструкция батареи позволяет размещать ее в самых нестандартных объемах.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№144, октябрь 2014).

Комментарии

1 комментарий