10 лучших технологий аккумуляторов, зарядки и хранения энергии будущего

Скорость зарядки упирается в фундаментальные ограничения: риск перегрева и разрушения структуры электродов при быстром прохождении ионов. Прорыв обещают новые типы аккумуляторов, где вместо графита в аноде используется пористый никелевый сплав с увеличенной площадью поверхности. Это тоже литиевые батареи. Такой принцип дает ионам лития быстро и равномерно распределяться, не создавая локальных перегрузок. Лаборатория StoreDot уже демонстрировала прототипы, полностью восстанавливающие емкость за считанные минуты.

Такая скорость станет возможной благодаря объединению новых материалов и систем активного охлаждения, встроенных прямо в корпус батареи. Для электромобилей это означает, что время зарядки сравняется с привычной заправкой бензобаком. Смартфоны же смогут пополнять заряд за время, необходимое, чтобы налить себе чашку кофе, что по сравнению с современными методами зарядки будет мгновением.

Идея преобразования окружающего акустического шума в электричество перешла из разряда фантастики в стадию лабораторных испытаний. Новость гласит, что в основе лежит пьезоэлектрический эффект: специальный материал генерирует ток под механическим воздействием, в данном случае — звуковыми вибрациями. Исследователи из Лондона создали прототип устройства, которое использует оксид цинка для преобразования звука в полезную энергию.

Такой супер аккумулятор не будет основным источником питания, но сможет работать как буфер, постоянно подпитывая батарею фоновым шумом мегаполиса. Это особенно актуально для IoT-устройств и датчиков, где важна полная автономность. Пока система выдает не достаточно высокую эффективность, но даже фонового гула офиса хватает, чтобы продлить жизнь слухового аппарата или фитнес-трекера на несколько критически важных часов.

Графитовый анод — главный ограничитель емкости современных батарей. Кремний может хранить в три-десять раз больше ионов лития, но он сильно расширяется при заряде, буквально разрывая элемент изнутри. Решение нашли в нанопорах: ученые создают из очищенного песка пористую губчатую структуру, которая предоставляет место для расширения без разрушения. Компания Sila Nanotechnologies уже внедряет подобный анод в коммерческие продукты, доказывая работоспособность устройства. Этот подход открывает дорогу аккумуляторы будущего с на 30-40% большей плотностью энергии при тех же габаритах. Для электромобиля это хороший прирост запаса хода, для смартфона — полтора-два дня активного использования вместо одного. Технология постепенно преодолевает дороговизну производства и к 2026-2027 году гарантировано станет массовой.

Кинетическая энергия — самый неиспользуемый ресурс вокруг нас. Каждый шаг, поворот руля или даже движение груди при дыхании способны генерировать микроватты энергии. Новое поколение аккумуляторов научилось их собирать благодаря пьезоэлектрическим волокнам, вплетенным в ткань одежды или встроенным в подошву обуви. Уже существуют рабочие прототипы кроссовок, способных за день ходьбы обеспечить до 10% заряда батареи телефона. Другое направление — электромагнитные харвестеры, улавливающие колебания от вибраций в транспорте или работающих механизмов. Они не заменят розетку, но станут хорошим вариантом для носимой электроники и удаленных датчиков, где важна полная автономность. Энергия движения — это вечный и бесплатный источник, который нам только предстоит освоить в полной мере, ведь при этом выполняется много работы. Так почему бы не использовать свободную энергию, направив ее на зарядку батареи смартфона или другого устройства.

Радиус действия существующих беспроводных зарядок ограничен несколькими сантиметрами. Ультразвук безопасно передает энергию на расстояние до 10 метров, огибая препятствия. Принцип основан на преобразовании высокочастотных звуковых колебаний в электричество с помощью пьезоэлемента. Стартап uBeam еще в 2015 году демонстрировал прототип, заряжающий телефон через комнату. Беспроводная зарядка на сверхвысоких частотах потенциально способна создать настоящую «энергетическую Wi-Fi-сеть» в помещениях. Гаджеты будут заряжаться просто находясь в зоне действия передатчика, без необходимости класть их на конкретную площадку. Главные вызовы — повышение КПД системы и доказательство полной безопасности длительного воздействия ультразвука на человека, так как сейчас есть много аргументов обратного. Предстоит выполнить еще много работы, чтобы достичь цели. 

Износ батареи происходит из-за деградации электродов: ионы лития постепенно разрушают их структуру при каждом цикле заряда-разряда. Прорыв совершили в Гарварде, создав прототип АКБ будущего на основе органических соединений в водном электролите. Вместо разрушения ее электроды самовосстанавливаются в процессе работы, подобно живой клетке. Так источник выдерживает более 100 000 циклов без потери емкости. Другой подход — твердотельные батареи с керамическим электролитом. Они имеют жесткую структуру, не подверженную деформации, что увеличивает жизненный цикл до 50-100 тысяч циклов. Для солнечных электростанций это означает столетие работы без замены накопителей, для электромобиля — гарантию на весь срок службы транспорта. Вечность пока недостижима, но срок службы в 10-20 раз выше современного — уже осязаемое настоящее.

Углеродная пленка толщиной в один атом продолжает удивлять физическими свойствами. Графеновые аккумуляторы обещают не только рекордную скорость заряда, но и увеличенную плотность хранения энергии. За счет большой площади поверхности графен удерживает большее количество ионов, а его электропроводность в разы выше меди. Испанская компания Graphenano уже тестирует батареи для электромобилей с запасом хода 800 км.

Проблема в стоимости и сложности производства качественного графена в промышленных масштабах. Большинство доступных сегодня образцов — это компромиссный материал с примесями. Но к 2030 году эксперты прогнозируют удешевление технологии в 10 раз, что откроет дорогу массовому применению. Графен может стать тем универсальным материалом, который объединит все лучшие свойства современных накопителей.

Пористая металлическая пена становится хорошей основой для электродов. Ее структура с большой площадью поверхности позволяет сильно увеличить мощность и скорость заряда. При этом выпуск таких батарей дешевле традиционных, так как не требует дорогостоящего прецизионного оборудования. Компания Prieto Battery первой направила в коммерческое русло эту идею, создав медно-пенный аккумулятор. Главное преимущество технологии заключается в безопасности. Пористый материал лучше выдерживает тепловые нагрузки и практически исключает риск возгорания. Это переводит пенные батареи в разряд подходящих для детских игрушек, медицинских имплантатов и другой техники особого назначения, где требуется невысокая мощность. Материал обладает гибкостью, поэтому рассматриваются идеи интеграции в одежду и аксессуары.

Натрий обладает похожими с литием химическими свойствами, но его запасы практически неисчерпаемы, а сам материал в разы дешевле. Это обстоятельства делает его хорошим кандидатом для крупных стационарных накопителей, где вес и размер не так важны. Китайский гигант CATL уже запустил массовое производство натрий-ионных батарей для энергосетей, что доказывает их производительность и ожидаемую долговечность.

Рассмотрим несколько преимуществ нового типа батарей:

• стоимость ниже на 30-40% за счет доступности сырья;
• стабильная работа при -30°C без потери емкости;
• быстрая зарядка — до 80% за 15 минут;
• полная безопасность — отсутствие риска возгорания.

Важность перехода на натрий объясняется простыми цифрами. Например, при достигнутой активности потребления аккумуляторов лития хватит не более чем на 150 лет. Запасов же натрия в разы больше, прогнозируемый срок добычи – от 800 лет. Кроме того, карбонат натрия почти в 30 раз дешевле карбоната лития. Плюс, такие батареи экологически безопаснее и не горят. Для увеличения емкости применяют углеродные наноматериалы, а электроды делают из сплава NaMnO2.  

Водородные решения для зарядки гаджетов

Автопром не первый год активно внедряет водородные топливные элементы, но теперь добрались и до потребительской электроники. Компания PowerTrekk создала портативное зарядное устройство, где картридж с силикатом натрия при контакте с водой производит водород, питающий элемент. Один картридж дает 5-7 полных зарядок смартфона.

Рассмотрим несколько преимуществ новой технологии:

• мгновенная «заправка» заменой картриджа;
• работа при экстремально низких температурах;
• полная экологичность — единственный побочный продукт вода;
• срок хранения картриджей до 10 лет без потери свойств.

Зачем ждать будущее? Накопители энергии VOLTS доступны уже сегодня

Пока ученые бьются над прорывными технологиями, литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи уже сегодня предлагают надежное и доступное решение. Их главное преимущество — увеличенный срок службы до 6000 циклов в особом исполнении, что эквивалентно 15-20 годам эксплуатации. Это в 4-5 раз больше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов. Химия на основе железа и фосфора исключает риск возгорания даже при полном повреждении корпуса.

VOLTS предлагает готовые системы для дома и бизнеса, которые легко масштабируются под любые нужды. Для применений, где требуется максимальная долговечность, доступны модели с увеличенным циклическим ресурсом — до 3000 циклов с сохранением 90% емкости. Это делает их подходящими для солнечных электростанций и резервного питания неотложных объектов.

Ближайшие 5-10 лет станут временем медленной эволюции литий-ионных технологий с постепенным увеличением их производительности на 5-7% в год. Основной прорыв прогнозируется ждать после 2030 года, когда созреют твердотельные, натриевые и металл-воздушные технологии. Особняком стоят графитовые аккумуляторы с добавлением графена — они гарантировано станут переходным звеном между эрой лития и следующей революцией.

Настоящий перелом произойдет, когда одна из лабораторий доведет до коммерции технологию с принципиально новой химией — например, на основе органических полимеров или магния. Так можно преодолеть барьер в 500 Вт·ч/кг (против нынешних 250-300 Вт·ч/кг) и окончательно решить проблему «дальнобойности» электромобилей. До тех пор нас ждет постепенная оптимизация действующих решений, где каждая пядь прогресса добывается с большим трудом.