В ближайшие годы должны появиться твердотельные аккумуляторы. Почему это имеет такое огромное значение?
Только представьте себе: в настоящее время проходит тестирование технология, которая, когда будут обнародованы его результаты, произведет долгожданную революцию в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что мы имеем сейчас на рынке. Это повлияет на то, что мы считаем обыденным — электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны — и на то, что мы считаем исключительным — медицинские устройства, космические корабли и новые инновационные конструкции транспортных средств, необходимые для того, чтобы отучить нас от использования ископаемого топлива. Мы знали об этой технологии на протяжении веков, но до сих пор нам удавалось сделать лишь небольшие шаги к ее созданию. Миллиарды долларов вкладываются в исследования, и еще миллиарды будут вложены, как только технология будет усовершенствована и выпущена.
Все это очень похоже на описание термоядерной энергии. Однако на самом деле речь идет о предстоящих инновациях в области аккумуляторных технологий, в частности, в области твердотельных аккумуляторов. И хотя как термоядерная энергия, так и твердотельные аккумуляторы всегда назывались технологиями будущего, но никак не сегодняшнего дня, научный вклад и инвестиции в твердотельные материалы с годами значительно возросли. Сегодня не только задействовано много крупных компаний и заслуживающих доверия исследователей, но, похоже, мы, наконец, сможем увидеть, как эти батареи будут выпущены в ближайшие несколько лет.
Чего нам стоит ожидать, когда эта неуловимая, преобразующая технология, наконец, будет готова к массовому производству?
Батареи – это не что иное, как устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую энергию. Они состоят из четырех основных частей: катода, анода, электролита и сепаратора. Катод и анод являются электродами. Когда электроны передаются от одного электрода к другому, образуется электрический ток. В этом случае электроны передаются от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль двух электродов заключается в том, чтобы вырабатывать электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это уравновешивает поток электронов. Наконец, разделитель разделяет два электрода и предотвращает короткое замыкание батареи.
Существует одно важное различие между нашими нынешними батареями и твердотельными батареями будущего: электролит. Современные литий-ионные аккумуляторы имеют жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, способствуют росту кристаллических структур, известных как дендриты. Дендриты образуют длинные острые усики, которые могут проколоть сепаратор и вызвать короткое замыкание, что, следовательно, приведет к опасным взрывам. Как следует из их названия, твердотельные батареи имеют твердый электролит, который подавляет рост этих вредных дендритов. Не говоря уже о том, что происходит нечто поразительное, как только электролит переходит из жидкого состояния в твердое.
Батарея имеет более высокую плотность энергии, благодаря чему значительно снижается риск возгораний и взрывов, она занимает меньше места и способна работать в более широком диапазоне температур. Давайте взглянем, например, на то, что это будет означать для транспортных средств.
Безусловно, самым большим недостатком электромобилей сегодня является их ограниченная дальность вождения. Дальность вождения среднестатистического электромобиля составляет 250-300 миль (402-483 км) при полной зарядке. Полная зарядка автомобиля занимает от часа до 17 часов в зависимости от того, заряжается ли автомобиль на станции или подзаряжается от стандартной розетки дома. Тем не менее, ожидается, что популярность электромобилей продолжит расти, и в конечном итоге они будут доминировать в автомобильном секторе. Для этого им нужно будет увеличить дальность воздения по крайней мере до 450 миль (724 км), оставаясь при этом финансово доступными для потребителя.
Давайте теперь рассмотрим твердотельную батарею.
Дальность вождения электромобилей становится вдвое или втрое больше, чем сейчас. Компании могут выбирать между изготовлением меньшей, более легкой батареи, которая заряжается быстрее, или оставить батарею того же размера с гораздо более широким диапазоном. Время зарядки также сокращается всего до 15 минут. Если мы посмотрим на достижения Samsung в области твердотельных аккумуляторов, мы увидим, что они смогли разработать батарею, которую можно заряжать и разряжать более 1000 раз с дальностью 500 миль (805 км) за заряд. Это время автономной работы в 500 000 миль. И все это при условии эффективной работы при более экстремальных температурах.
Подобное достижение может стать началом конца бензиновых транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что устройства могут работать несколько дней на одной (очень быстрой) зарядке, при этом общий срок службы батареи увеличивается с 2 лет до более 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными, в то время как больший диапазон температур означает, что твердотельные батареи могут найти применение в космических технологиях будущего.
Этот потенциал не ускользнул от внимания влиятельных компаний. Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota и Билл Гейтс вложили миллиарды долларов в исследования твердого тела. Компания, финансируемая Биллом Гейтсом, известная как QuantumScape, создала твердотельные аккумуляторы со слоями керамики, которые устойчивы к росту дендритов и способны работать при более низких температурах. Toyota планирует осуществить ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв следует ждать от того, о ком вы, вероятно, никогда не слышали.
Исследовательская группа во главе с физиком Джоном Гуденаф подала заявку на патент на твердотельную батарею из стекла и керамики, которая является стабильной, негорючей, обеспечивает более быструю зарядку и в 3 раза больше аккумулирует энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Это было достигнуто путем добавления натрия либо лития для формирования электрода в батарее. Не менее важно и то, что батарея доступна по цене и, по оценкам, прослужит более 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур стеклянной батареи составляет от-4 ° F до 140 ° F (от-20 °C до 60 °C).
Сам по себе Гуденаф – необычный ученый. Он получил 8 научных наград, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают в себя оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы вашего компьютера. Его участие — наряду с участием многих крупных конкурирующих компаний — сделало твердотельную батарею вполне доступной для нас. Мы сможем увидеть ограниченный выпуск этой технологии всего через 3-4 года, хотя трудно сказать, когда она выйдет в широкий оборот.
Батарея представляет собой гораздо больше, чем просто удобство. Она представляет собой ключевой элемент в спасении мира. Более мощные электромобили могут обеспечить резкий сдвиг на автомобильном рынке — отказ от более тяжелых бензиновых транспортных средств с высоким уровнем вредных выбросов.
Твердотельные аккумуляторы также могут быть изготовлены из экологически чистых материалов, таких как тот самый натрий, который содержится в нашей обильной океанской воде. Но, возможно, больше всего на свете появление твердотельных аккумуляторов продемонстрирует возможности наших самых блестящих умов: способность воплотить в жизнь технологию, о которой мы знали веками и о которой мечтали десятилетиями. Это не должно навсегда оставаться технологией будущего, но может быть технологией сегодняшнего дня.