Побочные эффекты — это главная причина, почему новые типы аккумуляторов не выпускают в массовую продажу после презентаций, разработок, анонсов, обещаний. Но не единственная.
Новые типы аккумуляторов у производителей есть. Вы даже можете их купить у тех, кто занимается разработкой и тестами (они с радостью продадут, поверьте — мы их заказываем для тестов). Но для обычных людей (и даже целых компаний) это слишком дорого.
Использовать новые аккумуляторные технологии затратно в сравнении с традиционными электрохимическими системами Li-ion (сколько их?). И в большинстве случаев новинки поставляются ограниченными партиями (в основном для тестирования) — их выпуск просто не налажен. В коммерции такое невыгодно.
Обновлено 24.11.2022: добавили подробности, проверили актуальность ссылок и источников, упростили.
Примеры последних новых типов аккумуляторов, которые уже есть на рынке
Коммерческих результатов в науке добиться сложно. Но это не значит, что все новости аккумуляторов связаны с мошенничеством или обманом. Каждый новый тип батареи требует свою производственную цепочку, и не всегда её удаётся построить.
Почему никто не сделал что-то лучше Li-ion батареи?
За эволюцию аккумуляторов сейчас отвечают автомобильные концерны. Чтобы сделать хороший экономичный электромобиль с длительным сроком службы элементов питания внутри него, они должны тестировать сотни клеточных химий и конструкций.
Те компании, кто стремится к инновациям, проводят технологии по тернистому пути от прототипирования до производства.
В 2020-м мы написали чешскому учёному-инженеру профессору Петру Новаку [досье] из Института Пола Шеррера (PSI, Швейцария [сайт]), чтобы задать несколько вопросов. Нас также интересовало, почему путь от прототипирования к производству в электрохимической аккумуляторной отрасли выдерживают единичные компании.
Наше внимание привлекли ранее опубликованные труды профессора [более 320 статей по электрохимической тематике, пример], поэтому рассчитывали получить развёрнутый профессиональный ответ. И получили.
Кто такой профессор Пётр Новак?
Пётр Новак является руководителем факультета «Электрохимическое хранение энергии» в Институте им. Пола Шеррера в Филлигене (Швейцария) и профессором лаборатории неорганической химии Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich).
Ещё в 1980-х годах новые слухи о достижениях в области технологии аккумуляторов обещали экстремальное увеличение плотности энергии. В эти разработки вкладывали большие деньги. Но мы всё ещё там, где мы есть.
Профессор Пётр Новак выступает с докладами, чтобы противостоять именно этим обманам. Он неоднократно показывал инвесторам, как отличать желаемое мышление в химии клеток от реально существующих фактов.
«Цены на аккумуляторы от 150 долларов США за киловатт-час и ниже возможны до 2025-го года. Но эти цены учитывают лишь сам аккумулятор», — заявляет профессор.
Нужно понимать, что к этой цене следует добавить затраты на необходимую инфраструктуру. Что будет использоваться для питания зарядных станций? За счёт чьих денег это финансировать? Многие полагают, что за счёт налогоплательщиков. Якобы это снизит реальную стоимость батарейных блоков. Ответственный момент, согласитесь.
Производители должны руководствоваться практическими результатами и просто «держать в уме» теоретически возможный прогресс по росту удельной энергии химического состава элементов, о которых рассказывают в новостях.
На практике удельное содержание энергии составляет только четверть теоретического значения. Иногда даже ниже.
Профессор подкрепил свои слова схемой: «Фактическое и желаемое относительно плотности энергии аккумуляторов» (см.ниже). Хорошей основой для практически реализуемой плотности энергии является деление теоретически возможного максимального значения на четыре. Значение, которое действительно может быть достигнуто, часто даже ниже.
Пример
Реакция лития и кислорода на Li2O в литиево-воздушных ячейках. Плотность энергии в такой ячейке достигает около 1800 мА·ч/г при напряжении 4 В.
В теории
Это соответствует теоретически возможной удельной энергоплотности 7200 Вт·ч/кг. На практике батарея с мощностью около 2000 Вт·ч/кг должна быть выполнимой.
Тогда почему же аккумулятора нет на рынке?
На практике
2000 Вт·ч/кг практически недостижимы, потому что стандартная ячейка с 4 В возможна только в реакции, показанной в кислоте со значением рН = 0. Если используется безводный электролит, то может быть достигнуто напряжение элемента 3 В максимум. Кроме того, происходит неполная реакция лития и кислорода с Li2O2, а не с Li2O.
Этот фактор сразу снижает удельную энергоплотность на 50%. На практике значение составляет всего 1000 Вт·ч/кг вместо теоретически достижимых 7200 Вт·ч/кг.
***
Сейчас производители электронкии и транспорта стремятся преодолеть риски из-за нехватки аккумуляторов в мире, проблем в производстве. Их волнует стабильная поставка хотя бы существующих технологий. Производители батарей в Азии (Китай, Корея, Япония), например, перманентно испытывают трудности с поставщиками и промышленной инфраструктурой.
• Чем же литий-ионный аккумулятор лучше других — почему его используют чаще всего?
Корпорации ведут борьбу за получение доступа к таким сырьевым материалам, как литий, никель и кобальт. Усилия требуют вложений на добыче, переработке, производстве от катодов до сборки самих ячеек и, наконец, интеграции в автомобили, мобильные устройства, гаджеты, устройства интернета вещей, промышленность.
Так действительно ли технология аккумуляторов достигла своего предела и остановилась в развитии? Главный вывод учёных: «Пока в аккумуляторах есть что совершенствовать, их эволюция не остановится».
