16.05.2025 - Перенос заряда: долго ли ждать самолетов на батарейках

Литий-ионные аккумуляторы используются везде, от смартфонов до электромобилей. Но экономика настоятельно требует более мощных, долговечных, дешевых и экологичных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) — лучшие устройства для хранения энергии, которые у нас есть. Распространенные коммерческие модели запасают до 300 Вт·ч энергии на килограмм веса, выдерживают более тысячи циклов перезарядки, работают при температурах от –20°C до +60°C. Тем не менее каждый обладатель смартфона и ноутбука знает, что емкость аккумулятора постепенно снижается, и даже в новой батарейке заряда хватает не так уж и надолго. Особенно остра эта проблема в авиации, даже беспилотной. Если аппарату нужно лететь далеко или поднимать большой вес, то ему требуется топливный бак, даже несмотря на то, что КПД электродвигателя намного выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.

Кроме-то, ЛИА огнеопасны. При коротком замыкании или перегреве от внешнего источника тепла они могут воспламениться и даже взорваться.

У экологов свои причины для беспокойства. Литий-ионные батареи очень сложны в переработке. Они состоят из множества химических компонентов, некоторые из них токсичны. При утилизации с бытовым мусором аккумуляторы часто становятся причиной пожаров.

Перспективы лития

Прежде чем искать альтернативы, попробуем разобраться — можно ли улучшить сами ЛИА? По некоторым параметрам — безусловно. Проблемы с огнеопасностью решаются добавлением компонентов, препятствующих возгоранию. Энергии на килограмм тоже можно добавить. В 2023 году экспериментальная модель взяла планку в 700 Вт·ч/кг. Однако у плотности энергии любого аккумулятора есть теоретический предел, и для литий-ионных систем он не за горами.

Перспективнее выглядят литий-металлические батареи, однако их проблема — долговечность. Недавно в журнале Nature Communications был описан аккумулятор, обеспечивающий 500 Вт·ч/кг, но всего 100 циклов перезарядки.

Еще одна вариация на тему лития — литий-воздушные батареи. В качестве одного из активных компонентов они используют атмосферный кислород. Поэтому эти аккумуляторы очень легкие, и плотность энергии чрезвычайно высока: теоретически более 13000 Вт·ч/кг. Однако со сроком службы тоже все плохо, даже если отфильтровывать из поступающего воздуха вредные компоненты: влагу и углекислый газ.

Волк, коза и капуста

Можно ли вообще отказаться от этого Есть проблема, которую не решает ни один вариант литиевых аккумуляторов. Литий недешев, и его запасы крайне неравномерно распределены по миру. В эпоху геополитической напряженности это чревато проблемами.

металла? Да, но это трудно. Мы уже убедились, как много требований предъявляется к аккумулятору. Это и высокая плотность энергии, и долговечность, и безопасность, и дешевизна, и экологичность. Совместить их очень сложно.

Перечислим несколько альтернатив ЛИА. Натрий-ионные аккумуляторы выигрывают в дешевизне и экологичности. Натрий почти в 50 раз дешевле лития. Его можно получать из обычной поваренной соли, месторождений которой много по всему миру. Однако с другими параметрами все не так хорошо. Прошлогодняя статья в Nature Materials обещает теоретическую плотность энергии до 460 Вт·ч/кг. По этому показателю натрий-ионные батареи выигрывают у нынешних литий-ионных, но уступают их перспективным моделям, не говоря о литий-металлических и литий-воздушных. К тому же у «натриевых» аккумуляторов тоже проблемы с долговечностью. На электродах быстро оседает слой соли, препятствующий работе устройства.

Алюминий-воздушные аккумуляторы теоретически могут запасать до 8000 Вт·ч/кг. Очень привлекательная цифра, да и алюминий несравнимо дешевле лития. Но и здесь существует целый ряд научных и технических проблем, из-за которых эти батареи до сих пор не вышли на рынок.

Навигация в море возможностей

Перспективные виды аккумуляторов можно перечислять еще очень долго: это огромная область исследований. Однако отрасли не хватает систематического подхода. Разработка новых систем во многом идет путем проб и ошибок.

Авторы недавней статьи в журнале Chemistry of Materials попытались исправить положение. Они занялись, возможно, самой трудной частью проблемы: разработкой электролитов. Электролит включает не только активное вещество, переносящее электрический заряд, но и растворитель и разнообразные присадки. Вариантов состава слишком много, чтобы перебрать их даже на суперкомпьютере. К тому же не все свойства электролита ученые уже умеют обсчитывать. К примеру, нет возможности теоретически рассчитать кулоновскую эффективность. Если бы аккумулятор при использовании отдавал в точности тот же заряд, который был ему передан при зарядке, эта величина была бы равна 100%. В реальности она всегда меньше, но насколько меньше — трудно сказать заранее.

Авторы начали с того, что собрали самую большую базу данных по проводимости жидких электролитов с различными растворителями, при разных концентрациях и температурах. Для этого они проанализировали более 250 исследовательских работ. Причем часто нужные цифры приходилось вручную «вытаскивать» из графиков.

Затем исследователи разработали метрику, которую они назвали eScore. Она учитывает три ключевых свойства электролита: проводимость, химическую стабильность и кулоновскую эффективность. Наконец, химики обучили на своих данных нейросеть. Перед искусственным интеллектом стояла задача научиться определять eScore по составу электролита.

Проверив свое детище, ученые обнаружили новый потенциальный класс электролитов на основе сульфурилфторида (SO2F2). Правда, нейросеть хорошо предсказывала eScore, только если вещество было похоже на какое-нибудь соединение из обучающих данных. Так что ей есть куда расти.

Разговоры о новых перспективных аккумуляторах ведутся много лет, а их внедрение по-прежнему откладывается. Однако уместно вспомнить, что разработка литий-ионных аккумуляторов началась в 1970-х, а в крупносерийный продукт они превратились только в 1990-е. Неизвестно, какая из многочисленных разработок в итоге «выстрелит», но можно не сомневаться, что это случится в ближайшие десятилетия.

Постоянный адрес материала - Перенос заряда: долго ли ждать самолетов на батарейках