Велика акумуляторна революція

Прогрес у галузі акумуляторів для побутової електроніки не дуже впадає у вічі. Справді, типовий ноутбук як працював на одному заряді батарей близько двох годин, так і працює, а типовий мобільний телефон за активного користування потрібно, як і раніше, щовечора ставити на заряджання. При цьому споживачі не звертають увагу на те, що потужність їхніх портативних комп’ютерів виросла в рази, а малесенька і тонесенька мобілка не лише приймає дзвінки, але й фотографує, програє музику та виконує інші ресурсомісткі програми.

 

Насправді ж технології накопичення електроенергії в акумуляторах останнім часом розвиваються дуже стрімко. Причиною цьому споживчий бум мобільних електронних пристроїв, які з кожним новим поколінням потребують джерел живлення з чимраз більшою ємністю, і при цьому максимально компактних і «витривалих» – як у питанні кількості можливих циклів перезарядки, так і в сенсі надійності та безпеки користування.
 

«Технологічний приріст» в галузі портативних акумуляторів становить, в середньому, близько 7% на рік. Тобто, або ємність батареї зростає на цю величину, або за збереження ємності її можна зробити легшою і компактнішою. Така «повзуча еволюція» загалом дає змогу задовольняти постійно зростаючі енергетичні апетити мобільних пристроїв. Більше того, застосовувати акумулятори в тих сферах, де їх використання зараз неможливе або нерентабельне. Власне, це вже починає відбуватися [див. довідку]. Наукові дослідження в цій галузі давно обіцяли появу революційних інновацій, що змогли б буквально перевернути звичні уявлення про використання електроенергії. Наприкінці минулого року в США і в Японії анонсовано дві окремі розробки, кожна з яких заслуговує на титул революційної.

 

Ноутбук, який замість двох годин на одній зарядці міг би функціонувати 20 годин! Про подібні можливості давно мріють десятки мільйонів споживачів в усьому світі. Відкриття, яке вдесятеро збільшує ємність звичайної іонно-літієвої батареї, зробив професор Стенфордського університету Йі Куй (Yi Cui). Його суть полягає в заміні графіту, з якого виготовляють електроди, на кремнієві нанопроводи. Під час процесу заряджання акумулятора іони літію рухаються від позитивного електрода (катода) до негативного (анода). Ємність акумулятора залежить від того, яку кількість іонів літію може «увібрати» анод. Порівняно з графітом (вуглецем) кремнієвий анод має набагато кращі характеристики. Однак, «поглинаючи» літій, він суттєво збільшується в розмірах, і вже після кількох циклів зарядки-розрядки ушкоджується матеріал аноду – кремнієва «плівка», з якої він виготовлений, натягається і розривається. Йі Куй запропонував виготовляти кремнієвий анод з масиву надзвичайно тонких кремнієвих трубок. Діаметр кожної в тисячу разів менший ніж товщина аркушу паперу. «Ліс» таких трубок може поглинати набагато більше літію, ніж звичайний анод. При цьому вони «роздуваються» з 89 нанометрів до 141 нанометра, однак «розривання» не відбувається – адже нанотрубки надзвичайно міцні. 
 

Окрім збільшення ємності, «стійкий» анод із кремнієвих нанотрубок має забезпечити велику кількість циклів заряджання-розряджання. Експериментальна батарея не показала жодних ознак погіршення після понад 30 циклів. Метою дослідників є проведення не менше тисячі циклів заряджання-розряджання, на що піде орієнтовно 6 місяців. Зрозуміло, що не всі переваги нової технології є остаточно підтвердженими, і шлях від лабораторії до промислового виробництва також може виявитися нешвидким і нелегким. Однак, на відміну від гучних голослівних заяв про «революційне відкриття», якими частенько грішать молоді компанії в пошуках спонсорських грошей, університетські розробки, як правило, мають значно вищий рівень достовірності. За оцінками самого Йі Куй для впровадження його відкриття «в маси» може знадобитися близько 5 років. Втім, зазначає науковець, технології роботи з кремнієм наразі є добре відпрацьованими, і за його розрахунками, фабрика з виробництва нанотрубок розміром 3 x 3 милі могла б виготовляти батареї для забезпечення щодня 100 тисяч легковиків.

Якщо іонно-літієві батареї з кремнієвим «наноанодом» не вийдуть за межі лабораторій ще довго, то новий акумулятор від Toshiba очікується в продажу вже в березні. Розробка отримала назву Super Charge ion Battery (SCiB) – «суперзарядна іонна батарея». І слово «супер» в назві – аж ніяк не гіпербола. Батарея SciB заряджається до 90% ємності лише за 5(!!!) хвилин. Для порівняння, «звичайним» іонно-літієвим батареям для цього потрібно 120 хвилин. При цьому після 3000 тисяч циклів зарядки-розрядки ємність знижується менш ніж на 10%. Простіше кажучи, навіть щоденно заряджаючи батарею, нею можна буде користуватися протягом 10 років. 
 

Батареї SCiB позиціонуються для використання у «непортативних» сегментах: для електромотоциклів та електромобілів, карів, будівельної техніки, резервних джерел струму тощо. І мають відповідні габарити: 1 модуль розмірами 62 × 95 × 13 мм важить 150 г, а складена з 4 таких модулів 24-вольтова батарея – відповідно, за розмірів 100 × 300 × 45 мм та 2 кг. Тобто, для мобільного телефону така батарейка не підійде. І на це є своя причина: за всіх переваг SciB в неї є суттєвий недолік – значно менша енергетична щільність. За цим показником, який вимірюється у ватт/годинах на одиницю маси батареї, розробка Toshiba гірша, ніж сучасні іонно-літієві батареї для мобільних пристроїв.
 

Проте для використання в автомобілі це не матиме значення. Навряд чи когось зацікавить електромобіль, який на одному заряді проїде 80 км, після чого батарею необхідно буде заряджати 4 години. А от якщо він заряджатиметься 5 хвилин і буквально з першої-ліпшої розетки – покупці стоятимуть в черзі за такими автівками. Натомість батареї підвищеної ємності, на кшталт розробки Йі Куй, пропонують інший підхід: заряджатися таке авто буде порівняно довго – скажімо, протягом ночі, однак після цього можна буде проїхати без підзаряджання 700–800 км – що перевищуватиме денний «ліміт витривалості» майже будь-якого водія. А поки він відпочиватиме, батарея встигне зарядитися знову. І це ще не все: адже немає принципових перешкод у поєднанні обох підходів в одній батареї, або в комбінуванні батарей («швидкої» і «з високою ємністю») в одному пристрої.

 

Вже розробляються акумулятори нового покоління, що базуватимуться на інших технологічних принципах, ніж іонно-літієві. Інакше кажучи: в «акумуляторної революції» вже є блискучий початок, а кінця ще не видно.[121]