Аккумуляторы [2023]: квантовое стекло от создателя Li-ion, жидкий металл и ультраконденсаторы

Что нового в аккумуляторах обещает 2023 год? Технологии готовы к массовому применению. Узнайте первыми, какие они.

Созданы не с целью освоения денег инвесторов. Реальные гиганты аккумуляторной индустрии разработали их: CATL, Murata, Panasonic совместно с BMW, Toyota другими крупными концернами.

Квантовое стекло от автора Li-ion

Джон Гуденаф получил Нобелевскую премию по Химии в 2019-м году за литий-ионные батареи, которые мы сейчас используем в смартфонах. И теперь он избавит своё детище от дендритов с помощью квантового стекла.

Решение было найдено в 2017-м году. С тех пор Джон Гуденаф (John Goodenough) с помощью Panasonic и Toyota добился практического воплощения своей теории:

• • он разработал квантовое стекло в качестве электролита;
• • этот материал легирован щелочными материалами;
• • в их состав добавляют литий (Li) или натрий (Na);
• • аккумулятор избавлен от проблемы остроконечных дендритов;
• • его можно заряжать так быстро, как это только позволяет физика.

Аккумуляторы с квантовым стеклом Гуденафа будет выпускать QuantumScape. Это организация типа «СПАК» (специализированная компания по целевым слияниям и поглощениям). Она создана с целью быстрого выхода на рынок в 2025 году, минуя IPO.

Натрий-ионные, кремниевые и графеновые

Китайский аккумуляторный гигант CATL изготавливает твердотельные прототипы кремниевых и графеновых ячеек. А ещё тестирует натрий-ионные — они уже готовы.

Натрий-ионные батареи (Na-ion)

• • представлены в 2021-м году, релиз с 2023-го;
• • это твёрдый углеродный анод и катод из оксида металла Na;
• • натрий в сотню раз проще добыть и дешевле, чем литий;
• • ионы натрия крупнее литиевых;
• • повышены требования к стабильности и кинетическим свойствам материалов батареи;
• • меньше ёмкость, чем у литий-ионных, но дешевле и стабильнее в морозы;
• • электролит солевой органический (например, LiPF6), как и в литий-ионных ячейках;
• • вместо кобальта (Co) и никеля (Ni) применяют железо (Fe) и марганец (Mn).

Кремниевые, графеновые и композитные электроды

• • коммерческие образцы электродов на основе кремния готовы;
• • графеновые ожидаются до 2025-го года;
• • они заменят графитовые аноды в существующих литий-ионных электрохимических системах;
• • выпуск возложен на Sila Nanotechnology — совместный стартап CATL, BMW и Daimler;
• • предложены сферические частицы кремния, которые могут расширяться без повреждений (в отличие от чешуйчатых форм графена и кремния);
• • прежние прототипы из-за надломов приводили к коротким замыканиям, теперь эта проблема решена;
• • атомы кремния способны хранить энергии в 20 раз больше, чем атомы лития;
• • кремниевые и графеновые аккумуляторы CATL, следовательно, способны дать реальную ёмкость в 20 раз больше, чем современные литий-ионные батареи.

Вместо свинцово-кислотных АКБ жидкометаллические (Ca-Sb)

Свинцово-кислотные АКБ заменят на жидкометаллические кальциево-сурьмянистые (Ca-Sb). Первые образцы ставят на солнечные и ветряные электростанции.

• • Коммерческие образцы с 2023-го года;
• • стационарное хранение энергии — основное назначение (ИБП, накопители, аварийное питание);
• • жидкий кальциевый (Ca) анод;
• • жидкий катод с частицами сурьмы (Sb);
• • расплавленный солевой электролит;
• • дешевле и безопаснее литий-железо-фосфатных;
• • значительно дешевле литий-титанатных и проще в производстве;
• • дольше служат и не требуют обслуживания в отличие от свинцово-кислотных.

Ультраконденсаторы вместо аккумуляторов

Ионисторы или «суперконденсаторы» уже давно применяются там, где нужно быстро отдать максимум энергии с большим током. Их КПД до 98%. Такие конденсаторы вместо литий-ионной батареи, например, ставят в автомобильные видеорегистраторы — дольше служат, а ещё не могут загореться.

Ультраконденсаторами занялись сразу пять компаний: организации Skeleton Technologies, Hawa, Murata, Panasonic и Maxwell (ранее работали под Tesla). Они завершают проекты по исследованию углеродных нанотрубок для мгновенного накопления и отдачи электрической энергии.

• • Ультраконденсаторы вмещают больше энергии при тех же размерах, что и у обычных конденсаторов-накопителей;
• • их цель стать альтернативой литий-ионным аккумуляторам, а не параллельной технологией с узкими целями и задачами (как у классических ионисторов);
• • их технология основана на принципе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNT) — её используют многие американские стартапы, пытающиеся ускорить быструю зарядку электромобилей;
• • дороговизна таких систем пока не позволяет им стать массовыми, но в определённых нишах они займут место уже в 2023-м.

***

Когда большинство людей думают об аккумуляторе, то представляют себе тяжёлую свинцово-кислотную силовую махину, которую необходимо заменять каждые несколько лет. Но наши суждения о батареях кардинально изменятся уже в ближайшие год-два.

Новые технологии ориентированы на:

• • снижение затрат разработки и производства,
• • применение более доступных материалов,
• • изменения в конструкции аккумуляторов,
• • хранение большего количества энергии при тех же размерах,
• • ускорение зарядки и улучшение характеристик,
• • обеспечение лучшей безопасности.