Проблемы
Сегодня проекты по изменению методик накопления и хранения энергии для личного пользования направлены, в первую очередь, на повышение емкости и эффективности батарей. Для промышленных производств или энергоснабжения в рамках населенных пунктов во главу угла становятся вопросы удешевления хранения энергии, а также возможность быстро включать хранилища в моменты пиковых нагрузок, прокомментировал инженер-исследователь кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Александр Атращенко. Он получил грант в размере двух миллионов рублей на развитие проекта «Новое поколение суперконденсаторов». Суперконденстаторы помогут заменить литий-ионные батареи.
Сегодня требованию дешевизны удовлетворяет технология создания запасов энергии за счет гидроаккумулирующих электростанций, где аккумуляция энергии осуществляется подъемом воды в заранее созданное хранилище, а сама энергия на подъем берется от другого возобновляемого источника, например ветрогенератора, добавил он. Также перспективны механические накопители: сильно раскрученное тяжелое колесо или поезд, который днем едет вверх на возвышенность за счет солнечной энергии, а ночью спускается вниз, вырабатывая электричество. Дешево обходится и тепловое накопление, к которому относятся проекты солнечно-тепловых электростанций.
Беда литий-ионных аккумуляторов, которые сегодня чаще других «батареек» используются в личных целях, в том, что со временем они начинают быстро разряжаться, а впоследствии и совсем перестают работать. Это происходит из-за того, что при перемещении ионов лития от анода к катоду, они не возвращаются на те же места в кристаллической атомной структуре. В результате с каждой зарядкой и разрядкой расположение атомов, которое когда-то обеспечивало производительность батареи, изменяется. Кроме того, несмотря на меры безопасности, литий-ионные аккумуляторы действительно могут взрываться из-за перегрева или короткого замыкания внутри. Вспомните нашумевшую историю с моделью смартфона компании Samsung, которая взрывалась в руках пользователей, в результате чего пришлось приостановить ее продажи. А в начале года Международная организация гражданской авиации запретила провоз в грузовых отсеках самолетов литий-ионных батарей, находящихся вне каких-либо устройств.
Кремниево-воздушные батареи
Этот вид батарей более емкий и легкий, чем литий-ионные, отмечают разработчики из Юлихского исследовательского центра (Германия). Они могут хранить заряд в течение нескольких десятков дней! Кроме того, эти аккумуляторы менее вредны для окружающей среды и более устойчивы к внешним воздействиям. Помимо прочего, кремний — один из самых распространенных химических элементов на земле, следовательно, производство батарей должно быть дешевым. Суть разработки заключается в том, что ученые используют кремниевые аноды. Однако кремниевые аноды быстро теряют способность к заряду, потому что при взаимодействии с электролитом кремний многократно расширяется и сужается, что приводит к его разрушению. Пока ученые предлагают единственный выход: замену анода. Однако это не лучший вариант, и сейчас ученые в разных научных институтах ищут способы, как остановить деградацию кремния в батареях.
Биобатарейки на листе бумаги
Ученые из Бингемтонского университета (США) решили использовать естественные жизненные механизмы микроорганизмов, чтобы создать батарейки прямо на бумаге. Они использовались хромотографическую бумагу. Одна сторона листа была покрыта пленкой нитрата серебра поверх тонкого слоя воска, что стало катодом. Другую сторону ученые покрыли полимером-проводником, ставшим анодом. После того как лист бумаги был сложен, на его поверхность добавили несколько капель жидкости с бактериями, иначе говоря, грязной воды, которая стала электролитом. Из-за клеточного дыхания началась выработка энергии.
Пока требуются миллионы таких батарей, чтобы зажечь обычную 40-ваттную лампочку. Однако «бумажной» батареи должно хватить на то, чтобы питать носимые биосенсоры, применяемые в медицинских целях. Кроме того, батарейка может оказаться полезной в местах без доступа к нормальным источникам энергии.
Батареи из нанотрубок
Аккумуляторы на основе материала из нанотрубок можно будет перезаряжать сотни тысяч раз, уверены ученые из Университета Калифорнии в Ирвине. По их мнению, это шаг к созданию батареи, которую никогда не придется менять. При этом ее можно будет использовать как в смартфонах и компьютерах, так и в автомобилях и самолетах.
Применение нанотрубок в аккумуляторах исследуется учеными уже достаточно давно, потому что эти материалы очень хорошо проводят электрический ток. Но они очень хрупкие и быстро ломаются. Чтобы решить эту проблему, исследователи из США покрыли золотые нанотрубки диоксидом марганца и поместили их в специальный раствор электролита. В результате тестовых испытаний батарейки разряжали и заряжали 200 тысяч раз в течение трех месяцев, и при этом никаких потерей емкости не было выявлено. Ранее подобные батареи полностью расходовали свой ресурс после 5−7 тысяч циклов перезарядки.
Новый подход к марганцево-цинковым батареям
Марганцево-цинковый элемент — это химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца в смеси с графитом, электролитом — раствор хлорида аммония, а анодом — металлический цинк. Исследования этого вида аккумулятора ведутся уже не первый десяток лет, потому что действующие элементы батареи дешевы и в избытке есть на планете. Проблема этих накопителей энергии в том, что они перестают работать всего через несколько зарядок. Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США обнаружили, что это происходит из-за некоторых неконтролируемых химических реакций: марганец попросту «растворяется» в электролите. Чтобы замедлить этот процесс, они добавили в его раствор больше ионов марганца. В результате удалось продлить «живучесть» аккумулятора до пяти тысяч циклов перезарядки с потерей емкости всего в 8%.
Сохранение энергии в органических молекулах
В Гарварде ученые разработали высокоемкие батареи, которые сохраняют энергию в органических молекулах квинонах и пищевых добавках ферроцианид. Сотрудники американского университета заменили металлические ионы, используемые в качестве стандартных электролитов, квинонами — молекулами, которые переносят электроны в фотосинтезирующих клетках растений. В 2015 году они разработали квинон, который может работать в щелочной среде. Батареи, основанные на этой технологии, хранят энергию во внешних блоках: чем больше блок, тем больше энергии можно накопить. Проект ученых может полностью изменить рынок накопления энергии, потому что квиноны не воспламеняются, нетоксичны, не разъедают другие вещества, а также очень дешевы в производстве. Они стабильны, хорошо растворимы и обеспечивают отличное электрическое напряжение и энергоемкость.
Солнечные батареи Илона Маска
В современных разработках емких аккумуляторов не обойтись без применения энергии, которая поступает к нам прямо с неба. По всему миру ведутся исследования по использованию солнечных батарей для личных и промышленных целей. Серьезную конкуренцию электричеству в частных домах могут составить панельная кровля, сделанная из солнечных батарей компанией Tesla совместно с фирмой SolarCity.
Покрытие крыш, которое они хотят поставлять в обычные дома, визуально почти не отличается от тех, которые продаются в строительных магазинах. При этом покрытия могут быть выполнены из традиционных материалов типа черепицы, шифера, текстурированного стекла или стекла. Но в каждый блок такого покрытия будут вмонтированы солнечные панели, которые заметны невооруженным глазом только под определенным углом. При этом электричество будет вырабатываться с помощью специальных преобразователей. Стоит отметить, что это — не единственный проект Маска по производству накопителей энергии. Бизнесмен и изобретатель также производит батареи для своих электроавтомобилей.
И дальше в будущее…
По мере истощения мировых запасов невозобновляемого топлива (нефти, угля и газа), ученые все активнее работают над альтернативными источниками энергии. В Университете ИТМО, в том числе, ведутся прогрессивные разработки по увеличению эффективности накопления энергии от солнца и других возобновляемых источников. В вузе будет создана лаборатория по созданию органо-неорганических материалов с интегрированными нанофотонными структурами, которые позволят увеличить эффективность оптоэлектронных устройств на основе гибридных перовскитов. Это, в свою очередь, существенно повысит КПД солнечных элементов на основе перовскитов.
В вузе также ведутся исследования «гибридных» коллоидных наноструктур, в состав которых в качестве основного компонента входят квантовые нанокристаллы. Их можно использовать и для фотовольтаических элементов, в том числе, в солнечных батареях, где световое излучение преобразуется для генерации электрического тока. Сегодня такие устройства эффективны не на 100%, так как не поглощают и не используют свет в инфракрасном диапазоне, что обусловлено особенностями базовых элементов — германия и кремния. Однако можно создать гибридную структуру с квантовыми точками, которая будет поглощать световые волны всего спектрального диапазона. Таким образом, удастся повысить эффективность работы солнечных батарей.
Сегодня исследования в прикладных науках — химии, биологии, физики, наук о метаматериалах и нанотехнологиях нацелены, в том числе, на поиск методов сохранения и накопления энергии. Кроме описанных выше примеров, ученые пытаются задействовать в производство емких батареек кислород и другие элементы, строят ветровые электростанции прямо посреди моря и используют органические отходы для генерации электричества. Очевидно, что максимальное использование доступных энергоресурсов — одна из первостепенных задач науки.
