Учитывая важность батарей в современной жизни, улучшения происходят медленно по сравнению с достижениями в области микроэлектроники. Давайте не будем указывать пальцем на непринужденных ученых и инженеров, но осознаем возникающую сложность. Пока батарея зависит от электрохимического процесса, ограничения будут действовать. Это низкое хранение энергии, медленная зарядка, короткий срок службы и высокая стоимость ватта.

Каждая система батарей имеет определенные преимущества, но ни одна из них не обеспечивает полностью удовлетворительного решения. В течение многих лет батареи на основе никеля обеспечивали достаточно хорошее обслуживание, но этот химический состав заменяется литий-ионными, предлагающими более высокую удельную энергию (емкость), более низкий саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании. Свинцово-кислотный с его многочисленными бородавками и пятнами по-прежнему занимает прочную позицию и будет продолжать сохранять лидерство в качестве стартерной батареи и батареи глубокого цикла. Никакая другая система не может соответствовать цене и надежности при большой мощности.  

Никогда еще не было такой большой активности в исследованиях аккумуляторов, и электромобили являются катализатором этого безумия. Ожидания высоки, и средства массовой информации быстро объявляют о новой батарее, которая обещает долгую работу, хорошую долговечность и экологичность. Действительно, некоторые системы демонстрируют хороший потенциал, но до того, как они станут коммерчески жизнеспособными, еще далеко. Многие бесследно исчезают.

Типичными недостатками новых концепций батарей являются слабая нагрузка и короткий срок службы. Даже лимон можно превратить в батарею. Просто воткните медную монету и гальванизированный гвоздь во внутренности. Мощность низкая, и 500 лимонов могут зажечь лампочку фонарика. Также пытались использовать морскую воду в качестве электролита. Море будет производить бесконечный запас электричества, но полученная энергия хороша только для освещения фонарика. Коррозия пластин ограничивает срок службы и делает невозможным использование батареи с морской водой.

Учитывая небывало высокий интерес к разработке аккумуляторов, вполне уместно пересмотреть старые и перспективные системы. Перечисленные ниже химические составы расположены примерно в последовательности развития. Многие старые батареи пересматриваются, чтобы обеспечить более длительный срок службы, увеличенное время работы и лучшую цену.

Никель-железо

После изобретения никель-кадмия в 1899 году швед Вальдемар Юнгнер попытался использовать железо вместо кадмия для экономии денег, но низкая эффективность заряда и выделение газа побудили его отказаться от проекта без получения патента. В 1901 году Томас Эдисон продолжил разработку в качестве альтернативы свинцово-кислотной смеси для электромобилей, заявив о превосходных характеристиках. Он проиграл, когда на смену пришли бензиновые автомобили, и был глубоко разочарован, когда автомобильная промышленность выбрала свинцово-кислотную батарею в качестве стартерной батареи.

В никель-железной батарее (NiFe) используется катод из оксида-гидроксида и железный анод с электролитом из гидроксида калия для получения номинального напряжения элемента 1,2 В. NiFe устойчив к перезарядке и чрезмерной разрядке и может работать более 20 лет в режиме ожидания. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделала NiFe батареей предпочтительной для горнодобывающей промышленности в Европе, а во время Второй мировой войны использовалась немецкая летающая бомба Фау-1 и ракеты Фау-2. Другие приложения - железнодорожная сигнализация, вилочные погрузчики и стационарные приложения. NiFe имеет низкую удельную энергию около 50 Втч / кг, плохие низкотемпературные характеристики и высокий саморазряд от 20 до 40 процентов в месяц. Эти недостатки вместе с высокой стоимостью производства побудили промышленность оставаться верной свинцово-кислотной продукции.

Никель-цинк

Никель-цинковые (NiZn) батареи похожи на никель-кадмиевые в том, что в них используется щелочной электролит и никелевый электрод, но они отличаются по напряжению; NiZn обеспечивает 1,6 В на элемент, а не 1,2 В, как у NiCd. Никель-цинк был впервые разработан в 1920-х годах, но у него был короткий срок службы из-за роста дендритов и короткого замыкания. Улучшение электролита уменьшило эту проблему. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и хороший рабочий температурный диапазон делают этот химический состав привлекательным, и NiZn возрождается для коммерческого использования. NiZn заряжается при постоянном токе до 1,9 В на элемент, но не может принимать постоянный заряд. Удельная энергия аналогична другим системам на основе никеля. NiZn рассчитан на 200–300 полных циклов, не содержит тяжелых токсичных материалов и может быть переработан. Батарея также доступна в ячейках AA.

Никель-водородный

Когда в 1967 году начались исследования никель-металлогидрида, проблемы с нестабильностью металлов переместили разработку в сторону никель-водородных батарей (NiH). NiH использует стальной баллон для хранения газообразного водорода под давлением 1,200 фунтов на квадратный дюйм (8,270 кПа). Ячейка включает в себя твердые никелевые электроды, водородные электроды, газовые экраны и электролит, заключенные в сосуд под давлением.

NiH имеет номинальное напряжение элемента 1,25 В и удельную энергию 40–75 Вт · ч / кг. Преимуществами являются долгий срок службы даже при полных циклах разряда, хороший календарный срок службы из-за низкой коррозии, минимальный саморазряд и замечательные температурные характеристики от –28 ° C до 54 ° C (от –20 ° F до 130 ° F). Эти характеристики делают NiH идеальным спутником. Ученые разрабатывают NiH-аккумуляторы для наземного использования и надеются обеспечить рынки для систем хранения энергии и электромобилей. Минусы - низкая удельная энергия и высокая стоимость. Одна ячейка для спутника стоит тысячи долларов.

Цинк-воздух

Цинково-воздушные батареи вырабатывают электроэнергию в процессе окисления цинка и кислорода из воздуха. Элемент может производить 1,65 В, но 1,4 В и ниже обеспечивает более длительный срок службы. Удаление закрывающего язычка активирует аккумуляторную батарею, обеспечивая приток воздуха, и аккумулятор достигает полного рабочего напряжения в течение пяти секунд. После включения аккумулятор не может быть остановлен. Блокирование воздушного потока путем добавления ленты только замедляет дегенерацию.

Цинково-воздушные батареи имеют сходство с топливным элементом с протонообменной мембраной  (PEMFC) за счет использования кислорода из воздуха в качестве топлива для положительного электрода. Воздух может до некоторой степени контролировать скорость реакции. Цинк-воздух считается первичной батареей; однако есть версии с подзарядкой для приложений большой мощности. Перезарядка происходит путем замены израсходованных цинковых электродов, которые могут быть в виде пасты из цинкового электролита. В другом типе воздушно-цинковых батарей используются гранулы цинка. Перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи были опробованы на электромобилях и сняты с производства.

При 300–400 Втч / кг воздух цинк имеет высокую удельную энергию, стоимость производства умеренная, но удельная мощность (текущая нагрузка) низкая. В закрытом состоянии саморазряд составляет два процента в год. Цинк-воздух чувствителен к экстремальным температурам и высокой влажности. Загрязнение также влияет на производительность; высокая концентрация углекислого газа в окружающей среде снижает производительность за счет увеличения внутреннего сопротивления. Типичное применение - слуховые аппараты и лампы безопасности на строительных площадках.

Серебро-цинк

Серебряно-цинковая батарея служила важным источником питания в оборонной, аэрокосмической, высокотехнологичной телекамерах и другом профессиональном оборудовании, которое требовало длительного времени работы. Высокая стоимость, короткий срок службы и появление литий-ионных аккумуляторов привели к тому, что серебро потеряло популярность.

Быстрая деградация цинкового электрода и сепаратора была основной причиной отказа первоначальной конструкции. Во время цикла нарастание дендритов цинка пробило сепаратор и вызвало короткое замыкание. Более того, сепаратор разложился сам по себе, находясь в электролите гидроксида калия. Это ограничивает срок хранения до двух лет. Улучшения в цинковом электроде и сепараторе обещают более длительный срок службы и на 40 процентов более высокую удельную энергию, чем у литий-ионных аккумуляторов. Серебро-цинк безопасно, не содержит токсичных металлов и может быть переработано, но использование серебра делает аккумулятор дорогим в производстве.

Натрий-сера

Натриевые батареи, также известные как солевые или тепловые батареи , бывают первичной и вторичной версий. В аккумуляторе в качестве электролита используются расплавленные соли, и он работает при температуре 400–700 ° C (752–1292 ° F). Новые конструкции работают при более низкой температуре 245–350 ° C (473–662 ° F).

Разработанный немцами во время Второй мировой войны и используемый в их ракетах Фау-2, электролит расплавленных солевых батарей неактивен в холодном состоянии и может храниться более 50 лет. После активации с помощью источника тепла аккумулятор может обеспечить всплеск большой мощности в течение доли секунды или подавать энергию в течение нескольких часов. Высокая мощность стала возможной благодаря хорошей ионной проводимости расплавленной соли. Первичные натриевые батареи почти исключительно используются в вооруженных силах в качестве «одноразового» средства поражения управляемых ракет; однако интерес кроется в версии с аккумулятором.

Современные натриево-серные аккумуляторные батареи известны как натрий-никель-хлоридные батареи или ZEBRA, получившие название после проекта Zeolite Battery Research Africa . Батарея имеет номинальное напряжение элемента 2,58 В и удельную энергию 90–120 Вт · ч / кг, что сравнимо с литий-марганцевым и литий-фосфатным. Срок службы около восьми лет и 3000 циклов. Он может быть быстро заряжен, не токсичен, а сырье в изобилии и по невысокой цене. Батареи ZEBRA бывают больших размеров от 10 кВт / ч и выше. Типичные области применения - вилочные погрузчики, железные дороги, корабли, подводные лодки и электромобили, которые постоянно используются, например, такси и автофургоны. Растущий рынок натриевых батарей - это выравнивание нагрузки, также известное как сетевое хранилище.

Батарею ZEBRA необходимо нагреть до 270–350 ° C (518–662 ° F). Даже со специальной изоляцией нагрев потребляет 14 процентов энергии батареи в день, что эквивалентно 18 процентам саморазряда. Батарея ZEBRA должна быть заряжена или использоваться. Для остывания требуется 3–4 дня; для повторного нагрева требуется около двух дней в зависимости от SoC во время выключения. Обычные отказы - это короткое замыкание из-за коррозии и роста дендритов, что увеличивает саморазряд.

Экспериментальные аккумуляторные батареи

Экспериментальные батареи живут в лабораториях и подключаются к внешнему миру через яркие отчеты, в основном для того, чтобы привлечь инвесторов. Мы надеемся, что эти разработки однажды превратятся в батарею, которая будет больше, чем просто разговаривать по мобильному телефону; цель - добиться экологических выгод от автомобильного транспорта. Нет никаких непосредственных кандидатов, которые могли бы нарушить нынешний химический состав батарей, но потенциал есть. Ниже приведены наиболее перспективные экспериментальные батареи, о которых стоит упомянуть.   

Литий-металлический (Li-metal)

Большинство литий-металлических батарей не подлежат перезарядке. Компания Moli Energy из Ванкувера первой начала массовое производство перезаряжаемых литий-металлических батарей для мобильных телефонов, но случайные короткие замыкания из-за дендритов лития вызвали условия теплового разгона, и батареи были отозваны в 1989 году. Литий-металл имеет высокую удельную энергию. В 2010 году пробный литий-металл-полимерный аккумулятор емкостью 300 Вт / кг был протестирован на экспериментальном электромобиле (для сравнения: Nissan Leaf с 80 Вт / кг), но безопасность остается серьезной проблемой.   

Литий-воздушный (Li-air)

Литий-воздушные батареи заимствуют идею у воздушно-цинковых батарей и топливных элементов в том смысле, что они дышат воздухом. В батарее используется каталитический воздушный катод, который подает кислород, а также литиевый анод и электролит. Ученые предполагают, что потенциал накопления энергии в 5-10 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов, но говорят, что потребуется от одного до двух десятилетий, прежде чем технология будет коммерциализирована. В зависимости от используемых материалов литий-ионный воздух будет производить напряжение от 1,7 до 3,2 В / элемент. IBM, Excellatron, Liox Power, Lithion-Yardney, Poly Plus, Rayovac и другие разрабатывают технологию. Теоретическая удельная энергия лития-воздуха составляет 13 кВт · ч / кг; алюминий-воздух обладает аналогичными качествами с теоретической удельной энергией 8 кВт · ч / кг.

Литий-сера (Li-S)

Благодаря низкому атомному весу лития и умеренному весу серы литий-серные батареи предлагают очень высокую удельную энергию 550 Втч / кг, что примерно в три раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов, и удельный потенциал мощности 2500 Втч / кг. . Во время разряда литий растворяется с поверхности анода и меняет свое направление при зарядке, покрывая себя обратно на анод. Li-S имеет хорошие характеристики разряда при низких температурах и может заряжаться при –60 ° C (–76 ° F). Проблемы заключаются в ограниченном сроке службы от 40 до 50 зарядов / разрядов и нестабильности при высокой температуре. С 2007 года инженеры Стэнфорда получают многообещающие результаты, экспериментируя с нанопроволокой. Li-S имеет напряжение ячейки 2,10 В и является экологически чистым. Сера в качестве основного ингредиента широко доступна.

Кремний-углеродные нанокомпозитные аноды для литий-ионных аккумуляторов

В отличие от углерода в качестве типичного анодного материала в обычной литий-ионной батарее, исследователи разработали кремний-углеродный нанокомпозит. Это способствует доступу ионов лития для достижения стабильной работы и увеличения емкости в пять раз по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором. Говорят, что производство простое и дешевое, а аккумулятор безопасный; однако срок службы ограничен из-за структурных проблем при вводе и извлечении литий-ионных ионов в большом объеме. 

Резюме

За последние пять лет или около того не появилось ни одной новой батареи, которую можно было бы назвать большим прорывом. Это неудивительно, если учесть, что немногие другие продукты предъявляют такие жесткие требования, как аккумулятор. Батарея должна обладать высокой способностью аккумулировать энергию, обеспечивать длительный срок службы, быть безопасной в использовании и требовать минимального обслуживания. Кроме того, аккумулятор должен работать при высоких и низких температурах, обеспечивать высокую мощность по запросу, быстро заряжаться и дешево. По мере того, как мы расширяем использование аккумуляторных батарей в транспорте, становится очевидным, что этот электрохимический источник питания лучше всего подходит для портативного использования. Для движущихся приложений, таких как поезда, морские суда и самолеты, аккумулятор не хватает емкости, выносливости и надежности. Разделительной чертой, на мой взгляд, станет электромобиль.