Литий-ионные аккумуляторы повсюду: в смартфонах, беспроводных наушниках, электрокарах. Они уже давно узкое горлышко технологий: даже над гарнитурой Vision Pro от Apple журналисты смеются из-за кабеля и пауэрбанка, без которого шлем работает лишь два часа. Современные аккумуляторы становится дороже производить, они быстро разряжаются, а еще иногда взрываются и горят.
В чем проблема с литий-ионными аккумуляторами:
- ограничения по циклам заряда/разряда;
- потеря емкости со временем;
- необходимость в защите от перегревания и избыточной зарядки;
- возможность воспламенения;
- сокращение мировых запасов лития.
Искать решение проблемы уже начали крупнейшие автопроизводители — Toyota, Nissan, Mercedes и BMW. Компании инвестируют в разработку новых видов аккумуляторов для электромобилей. Отчасти это связано с падением спроса на традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания в Китае и Европе. С другой стороны, дело в ограничениях литий-ионных батарей.
Ученые разрабатываю сразу несколько перспективых типов аккумуляторов на замену литий-ионным
Главный претендент — твердотельные аккумуляторы. В них твердые электролиты (вещества, проводящие электрический ток) в отличие от жидких в литий-ионных. Благодаря этому первые выдерживают более высокую температуру, что делает их безопасной альтернативой. А еще такие батареи обладают большим запасом хода и более быстрой зарядкой. В октябре 2023 года Toyota заключила соглашение с компанией Idemitsu Kosan, которая разрабатывает твердые электролиты для батарей — к 2027−2028 году начнется совместная разработка твердотельных аккумуляторов.
Еще один тип аккумуляторов, который разрабатывают ученые, — кислородно-ионный. У него существенно более долгий срок службы, а для производства не требуются редкие материалы. В марте 2023 года ученым из Венского технологического университета удалось разработать кислородно-ионный аккумулятор с важнейшим преимуществом перед литий-ионным: он может регенерировать. По сути, его емкость не уменьшается безвозвратно, что делает его одним из самых долгоживущих аккумуляторов, созданных человеком. К сожалению, кислородно-ионные аккумуляторы не предназначены для смартфонов или электромобилей: плотность энергии у ниже на ⅔ ниже, чем в литиевых батареях, а работают они при температуре 200−400 °C.
Потенциальной заменой литий-ионных аккумуляторов могут также стать магниевые батареи. Они требуют в два раза меньше объема при той же плотности заряда, чем литиевые, а также менее пожароопасны при деградации. Еще один возможный вариант — натриево-ионные батареи. Они рассматриваются как более дешевая и безопасная альтернатива литиевым и подходят для хранения энергии, так как лучше работают при очень высоких и низких температурах.
Например, шведская компания Northvolt в ноябре 2023 года рассказала о разработке натрий-ионной батареи с высокой плотностью энергии — свыше 160 Вт*ч/кг. Сейчас в лучших литиевых аккумуляторах плотность 220−250 Вт*ч/кг, но разработку Northvolt отличает отсутствие редких металлов, дешевизна производства и безопасность при высоких температурах. Компания надеется предоставить первые образцы клиентам в следующем году и запустить полномасштабное производство к концу десятилетия.
Новые технологии производства аккумуляторов дойдут до мобильных устройств, как только их «обкатают» на электромобилях — тогда нам не придется читать инструкции о безопасной зарядке смартфонов. Но пока мы ждем этого будущего, не лишним будет освежить свои знания.
