Пришла пора прощаться с привычными нам батарейками.
Об этих устройствах мы вспоминаем разве что в случаях, когда в неподходящий момент гаснет экран смартфона или на морозе перестает заводиться автомобиль. Они всегда остаются в тени рядом с другими составляющими окружающей нас техники. Мы скорее обратим внимание на диагональ экрана гаджета, качество камеры в нем или (в случае машины) на мощность двигателя… Но чем дальше, тем сильнее ощущается зависимость технического прогресса от свойств аккумуляторов электрической энергии.
ФИНАЛ ЭПОХИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В современной технике в подавляющем большинстве случаев используются накопители электрической энергии, построенные по одному и тому же принципу: в непроницаемом корпусе располагается пара электродов из различных материалов, помещенных в электролит — раствор специально подобранных веществ. Уже сотню лет назад аккумуляторные батареи перестали выглядеть, как на картинках из старинных учебников — узкие цилиндры, помещенные в банку с соляным раствором. Сейчас они представляют собой тоненькие полоски, переложенные пористым материалом, пропитанным электролитом, и упакованные в компактный корпус.
В последнюю четверть века наиболее распространенным типом аккумуляторов стали так называемые литий-ионные (разработаны почти век назад, но в промышленных масштабах начали производится только с 1991 г.). В них один из электродов изготовлен из литийсодержащего вещества, второй — из графита. Широкое распространение этих устройств обусловлено солидным перечнем преимуществ: заряжаются гораздо быстрее своих предшественников, более емкие, служат долго. В последние годы удалось приспособить их (увеличить максимальный ток разряда и емкость) для работы с мощным оборудованием — например, электродвигателями. Поэтому литий-ионные аккумуляторы используются почти повсеместно — они питают и мелкую бытовую электронику, и все активнее входящие в нашу жизнь электрокары. Однако все идет к тому, что настало время искать замену этой вполне оправдывавшей себя последнюю четверть века технологии.
Справедливости ради следует отметить, что в автомобилестроении до сих пор незаменимыми остаются свинцово-кислотные аккумуляторы: большая мощность в сочетании с дешевизной и надежностью перекрывают их недостатки (например, значительные габариты и вес).
ТЕХНОЛОГИИ, КОТОРЫЕ ПРИХОДЯТ НА СМЕНУ БАТАРЕЙКЕ
Итак, литий-ионные аккумуляторы при всех их плюсах уже не справляются с растущими запросами человечества, и особенно это заметно в автомобилестроении. Такие накопители довольно тяжелы (хотя и несравнимо легче их свинцово-кислотных собратьев) и, что гораздо серьезней, — не обладают емкостью, нужной для достаточно большого пробега авто без подзарядки. Такая особенность вынуждает компании тратиться на дорогостоящую инфраструктуру в виде густой сети зарядных станций. Наконец, хоть и очень редко, но такие аккумуляторы могут загораться и взрываться. Поиски альтернатив этому типу батарей сегодня интенсивно ведутся во многих странах.
ГРАФЕН. Одно из самых перспективных (и разрекламированных в средствах массовой информации) направлений в технике — разработка новых материалов из атомов углерода. На подобные наноматериалы возлагаются особые надежды из-за недостижимых в других веществах прочности, веса, электрических свойств и еще доброго десятка параметров. Так, очень перспективным считается материал графен, представляющий собой плоскую сетку толщиной в атом из шестиугольников, в вершинах которой находятся атомы углерода.
Совсем недавно испанская компания Graphenano представила один из первых полноценных, готовых к выходу на рынок графеновых аккумуляторов, и эту батарею уже можно считать очень серьезным конкурентом литий-ионным собратьям. Ведь новинка в 2 раза легче, почти на 80% дешевле, а заряжается на треть быстрее своих собратьев. Наконец, графеновый аккумулятор не выделяет никаких газов и не взрывоопасен.
Вскоре после сообщения испанцев на презентации в Пекине публике представили китайский графеновый аккумулятор для бытовой электроники. Детище компании Dongxu Optoelectronics обладает емкостью в 4800 мАч (предполагается, что у iPhone 7 будет батарея емкостью 1960 мАч), полностью заряжается это китайское чудо за четверть часа и выдерживает 3,5 тыс. циклов зарядки-разрядки. Эти показатели в 5—7 раз превосходят показатели литий-ионной батареи. Правда, китайцы ничего не сказали о дате выхода батареи на рынок. В любом случае, судя по двум приведенным анонсам, ждать массового появления графеновых накопителей осталось недолго.
Перспектива. Аккумуляторы из графена вот-вот выйдут на рынок.
ВОДОРОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. В этих устройствах выработка электроэнергии осуществляется за счет соединения ионов водорода с электронами металлических электродов. Однако помимо габаритов труднейшей преградой для широкого внедрения этого типа аккумуляторных батарей является отсутствие компактных и безопасных способов хранения водорода (напомним, что в смеси с кислородом воздуха этот газ взрывоопасен). Если судить по частым публикациям в СМИ, во всем мире сейчас идет энергичный поиск полимеров, которые могли бы безопасно накапливать водород, как губка, и отдавать его по мере необходимости. В 2015 г. британская компания Intelligent Energy анонсировала конструкцию водородного аккумулятора, способного прийти на смену литий-ионным. На рынке новая батарейка должна появиться через пару лет. По утверждению разработчиков, форм-фактор новых источников энергии позволит устанавливать их в уже существующие гаджеты, разве что крышка понадобится усовершенствованная — ведь при работе водородного аккумулятора выделяется водяной пар, и его нужно отводить из корпуса. Зато работать такой пыхтящий паром смартфон сможет неделю без подзарядки.
Водородные батареи. Совместимы с существующими гаджетами.
ПРОТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ. В этом виде перезаряжаемых источников питания энергия генерируется при взаимодействии двух жидкостей, разделенных мембраной, способной пропускать заряженные частицы. Жидкие электролиты хранятся в двух внешних емкостях. Если прокачивать жидкости через ячейку с мембраной, то при движении они начнут обмениваться ионами и вырабатывать электрический ток. Обратный процесс позволяет накапливать энергию в электролитах. Важнейшее преимущество проточных аккумуляторов заключается в возможности хранения электролитов в емкостях, отдельно от электродов (в привычных нам источниках энергии все составляющие втиснуты в один корпус). Для увеличения мощности батареи нужно просто взять бочки побольше, увеличив объем контейнера. Это делает аккумулятор идеально пригодным для хранения больших запасов энергии. Правда, пока этот вид накопителей не может конкурировать с популярными литий-ионными батареями.
Проточные аккумуляторы могут найти применение там, где нет ограничений в размерах устройства, но важна стоимость энергии. Например, их можно размещать в подсобных помещениях жилых домов или на электростанциях — для сглаживания пиков потребления. Очень перспективно смотрится работа проточных аккумуляторов в дуэте с солнечными батареями и ветрогенераторами. Если объем резервуара с электролитами сделать больше 2 тыс. литров, то за день вполне можно запастись энергией для обеспечения суточных потребностей всего дома.
Есть, впрочем, и серьезный недостаток, мешающий развитию проточных аккумуляторов: высокая токсичность используемых в электролитах веществ.
Объемная вещь. Проточные аккумуляторы громоздкие, но емкие.
ЯДЕРНЫЕ БАТАРЕЙКИ. При воздействии радиоактивного излучения на алмаз, этот минерал генерирует слабый электрический ток. А алмаз — тот же графит, только имеющий иное строение. Ученые Бристольского университета предложили изготовлять искусственные алмазы из радиоактивного графита. Получается, что кристалл станет и источником излучения, и ячейкой для выработки энергии. Даже источник нужного сырья найден: им может стать радиоактивный графит, в больших количествах образующийся при работе ядерных реакторов.
Хотя значительной мощностью такая ядерная батарейка не отличается, но зато может обеспечивать стабильное напряжение и ток на протяжении тысячи лет (период полураспада углерода-14, изотопа, из которого предлагается изготовлять батареи, — 5,7 тыс. лет). Для того, чтобы экранировать опасное радиоактивное излучение, сопровождающее работу такого устройства, предлагается покрывать его оболочкой из того же алмаза, но уже из нерадиоактивного. Таким образом, радиоактивные изотопы оказываются абсолютно изолированными от окружающей среды в твердейшем непроницаемом футляре. Применение ядерным батарейкам можно найти повсюду, где требуется очень стабильное электроснабжение небольшой мощности на протяжении длительного времени. Например, всевозможные приборы, вживленные в тело человека (наподобие кардиостимуляторов). Дополнительная выгода от широкого внедрения таких элементов питания — возможность хотя бы частично утилизировать горы опасных радиоактивных отходов.