Авторский вариант. Оригинал материала находится по адресу www.computerra.ru/business/57089/akkumulyator-trudnaya-sudba/
9.07.2013
Аккумулятор: трудная судьба
В погоне за совершенством техники мы незаметно перешли важную черту: скорость, габариты, функционал уже не так важны, как степень автономности. Что проку от новейшего планшетного компьютера, от очков «расширенной реальности» (слышали про Google Glass?), смартфона или электромобиля, если через три-четыре часа активного пользования они требуют подключения к розетке? Внезапно, буквально за последние пять лет, вскрылась неприглядная правда: «батарейка», образно выражаясь, слишком тяжёлая и инженерная мысль пасует перед этой проблемой. Не только электроника, но и автомобилестроение, энергетика страдают от отсутствия ёмких, но дешёвых, компактных, долговечных источников электричества. Пока все прочие технологии развиваются по закону Мура, удваивая показатели через энное количество лет, батарейки топчутся почти на том самом месте, откуда они и стартовали во второй половине XIX века.
Будем точны, речь не просто о батареях, а о батареях перезаряжаемых, ещё называемых аккумуляторными (АБ) или просто аккумуляторами. Если вы ещё не забыли школьную физику, разница между тем и другим простая. Электрическая батарея — конструкция, в которой, благодаря химическим процессам, вырабатывается электрическая энергия. Процессы эти необратимы, так что по исчерпании ресурса батарейку выбрасывают. А вот в аккумуляторах химические реакции могут протекать в обоих направлениях. Простейший пример — свинцово-кислотный аккумулятор, где свинцовые пластины погружены в раствор серной кислоты. Приложив к такой конструкции электрическое напряжение, мы запускаем реакции в одну сторону — и аккумулятор накапливает электрический заряд. Потом, в процессе использования, реакции текут в обратном направлении: заряд отдаётся.
Свинцово-кислотная АБ, маркируемая «Pb», является старейшей (её изобрели в 1859 году) и по сей день весьма популярной в некоторых нишах: именно такие аккумуляторы установлены, в частности, в подавляющем большинстве автомобилей. Несмотря на полуторавековую историю, на её примере можно продемонстрировать все основные детали и свойства аккумуляторных батарей. Это, во-первых, электроды: анод и катод — соответственно «плюс» и «минус». И электролит, в который они погружены, в данном случае — серная кислота, разбавленная водой; электролит помогает перемещаться заряженным частицам между электродами. Аккумулятор, как правило, стОит дороже, чем обычная батарейка. Однако, поскольку перезаряжать его можно сотни раз, в эксплуатации оказывается дешевле.
Свинцово-кислотная АБ характеризуется хорошим диапазоном рабочих температур (грубо, от минус 40 до плюс 40 градусов Цельсия), независящим от температуры высоким КПД, хорошей удельной энергоёмкостью (количеством энергии, запасаемой в единице объёма; в данном случае около 50 Ватт-часов на литр). Но есть у неё и недостатки. Хранить такой аккумулятор нужно только в заряженном состоянии, в процессе эксплуатации он требует ухода (вроде подлива дистиллированной воды), и после нескольких сотен циклов заряда-разряда начинает терять функциональность, потому что на электродах скапливаются нерастворимые соли свинца. Кроме того, он тяжёл — и если для автомобилей или стационарных устройств это не проблема, то для мобильной электроники, например, свинцово-кислотный тип уже не годится. Вот так желание увеличить ёмкость, уменьшить вес и сделать аккумуляторную батарею менее капризной в эксплуатации запустило поиск идеального аккумулятора, продолжающийся поныне.
В поисках совершенства
Уже тридцать лет спустя, на переломе XIX и XX столетий была изобретена никель-кадмиевая АБ (NiCd). Её электроды выполнены из кадмия и никеля, в качестве электролита используется гидроксид калия, но функционально такой аккумулятор схож со свинцово-кислотным и обладает некоторыми важными преимуществами. Прежде всего, он не требует обслуживания, так что его можно герметично запечатать. Он сравнительно быстро заряжается, весит значительно меньше и конструкция более механически прочная. Но самое главное — удельная энергоёмкость его втрое выше. Так что NiCd успешно пережил век пара и вступил в космическую, атомную и даже интернет-эпоху, найдя применение везде, от телефонов до искусственных спутников Земли. В бытовой электронике вплоть до самого конца XX века никель-кадмиевые аккумуляторы доминировали.
Однако ничто не даётся бесплатно. Материалы для изготовления таких АБ дороже, чем для свинцово-кислотных, а кадмий — тяжёлый металл — ещё и токсичен. Последнее обстоятельство сильно ударило по NiCd в последние десятилетия XX века, когда вопросу охраны окружающей среды стали придавать значение. В настоящее время некоторые страны (в частности, Евросоюз) ввели серьёзные ограничения на производство и эксплуатацию никель-кадмиевых аккумуляторов (вплоть до принуждения производителей заботиться об утилизации каждого выпущенного экземпляра по окончании срока службы) с явным намерением вывести их из употребления вовсе.
Таким образом и NiCd не стал идеалом. Однако если первый эволюционный виток аккумуляторы совершили за тридцать лет, на второй потребовался уже почти целый век. Только в 90-х годах XX столетия, вместе с расцветом мобильной электроники, начали борьбу за доминирование сразу два новых типа АБ: никель-металл-гидридная (NiMH) и литий-ионная (Li-ion). В никель-металл-гидридном аккумуляторе место кадмия заняли сплавы обычных металлов (титан и др.). Это решило проблему токсичности и увеличило энергоёмкость: NiMH запасает уже примерно вшестеро больше энергии в единице объёма, нежели свинцово-кислотный. Благодаря этому его активно применяют, в частности, в электромобилях. Однако обозначились новые болячки. Мало того, что такая АБ подвержена сильному саморазряду (особенно в первые дни она, за счёт внутренних утечек, теряет заметную часть заряда), так ещё возникла нужда в редкоземельных элементах.
В ходе исследований, активизировавшихся с 70-х годов прошлого века, выяснилось, что применение в конструкции аккумулятора лантана и других металлов, относящихся к так называемой редкоземельной группе, позволяет вывести ёмкость и долговечность АБ на новый уровень. Но если мелким аккумуляторам такая добавка ничем не грозит, большие АБ в результате оказываются очень дорогими. Разведанные запасы лантана и его собратьев малы, разбросаны по Земле неравномерно (с акцентом на Китай), а, к примеру, одна только NiMH-батарея для Toyota Prius требует для своего изготовления больше десяти килограмм лантана. При цене в несколько долларов за грамм, теоретическая себестоимость такого аккумулятора измеряется десятками тысяч долларов. Так оно и есть на самом деле: аккумуляторная батарея остаётся самым дорогим компонентом электромобилей.
Электромобили и «гибриды» сегодня выпускаются или проектируются большинством мировых автобрендов и множеством зелёных стартапов. BMW, GM, Nissan, Chevrolet, Toyota, Honda и Chrysler конкурируют здесь с новичками вроде Tesla Motors. Их совместными усилиями, если верить прогнозам, к 2020 году электромобили займут несколько процентов мирового рынка авто, а гибриды и того больше, за десяток. Но прежде предстоит решить проблему неадекватной дороговизны аккумуляторных батарей — и явно не каждый сумеет с этим справиться. Автогиганты, столкнувшиеся с недостаточным спросом на дорогущие электрокары, сокращают выпуск (как Chevrolet для своей Volt) или продают ранние модели себе в убыток, работая на перспективу (как Chrysler). У мелких производителей резервы тоньше, так что они вынуждены просто уходить из бизнеса — и только за эту весну о банкротстве или значительном сокращении штата объявили CODA Automotive и Fisker Automotive. Ни недостаточный запас хода (пока в среднем составляющий полторы сотни километров, но по факту часто и ещё меньший, ибо сказываются низкие температуры за бортом, городской режим эксплуатации), ни отсутствие «заправочных станций», ни длительное время полной зарядки не пугает потенциальных покупателей электромобилей так как высокая цена.
Впрочем, мы отвлеклись. Литий-ионные АБ тоже родились в лабораториях в 70-е годы, но на рынке они появились только в 1991-м, а претендовать на лидерство смогли только в нулевые, после нескольких важных усовершенствований, поднявших их характеристики до уровня, недостижимого для других типов АБ. Основой для электродов тут служат литий и углерод, а электролит может быть даже твёрдым. Всё вместе это обеспечивает малый вес, сравнительно слабый саморазряд, возможность придать аккумулятору почти любую форму и, главное, ёмкость, сравнимую или превосходящую NiMH, а также непревзойдённое долголетие (литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать несколько тысяч циклов заряда-разряда). В результате к настоящему моменту их используют везде, вплоть до автомобилей и космических кораблей, но больше всего в мобильной электронике. Литий-ионная АБ идеально вписывается в эксплуатационную кривую типичного бытового электронного устройства: она обеспечивает время работы близкое к одному дню и «живёт» около пяти лет — срок, за который современная электроника технически и морально устаревает.
Лучшее — враг хорошего
Строго говоря, совершенствование никель-металл-гидридных и литий-ионных аккумуляторов продолжается. И сегодня ещё отдельные компании, владеющие патентами на варианты NiMH-батарей, работают над улучшением их характеристик (в частности, американская ECD Ovonics). Больше сил, впрочем, тратится на модернизацию технологии Li-ion: таких аккумуляторов разработано огромное множество, на все случаи жизни — от сегмента мобильной электроники, где используется смесь лития с кобальтом (ёмкость!), до автомобилестроения, где в батарею добавляют марганец, железо, фосфор и даже просто воздух (как IBM), и вообще составляют десятки сложных смесей ради продления срока службы и уменьшения опасности взрыва.
Опасность взрыва — не шутка. Увы, в погоне за совершенством, наука и техника подошли вплотную к границам возможностей литий-ионной технологии. При том энергопотреблении, которого требуют современные задачи, и том объёме свободного пространства, который допускает рыночная конъюнктура, литий-ионный аккумулятор уже не в состоянии справиться с возлагаемой на него задачей. Конечно, можно заняться экономией электроэнергии и производители микропроцессоров, электромобилей даже обещают большие подвижки в этом направлении в ближайшем будущем, но пока резервы слишком малы, а запросы продолжают расти. Скажем, в микроэлектронике переход к дисплеям сверхвысокого разрешения (то, что Apple называет «ретина») и быстрой беспроводной связи (LTE, 4G) оборачивается возросшим энергопотреблением — и деваться производителям некуда, приходится увеличивать габариты устройств, чтобы вместить в них более ёмкую батарею. Так что Apple хоть и подшучивает над «гигантоманией» Samsung (топовые смартфоны Galaxy едва умещаются в руке), сама тоже не без греха: iPad 3 тяжелей и толще предшествующей модели, а время работы то же самое.
Выжимая из «литий-иона» все соки, производители пренебрегают механической прочностью (аккумуляторы в некоторых ультрабуках, к примеру, бескорпусные) и, как следствие, делают опасную технологию ещё опасней. Механическое повреждение, тяжёлые режимы эксплуатации (вроде зарядки после глубокого разряда или заряда при отрицательной температуре) могут привести к короткому замыканию внутри аккумулятора, перегреву и возгоранию или взрыву. Предохранительных мер придумано много: и контроль за процессом заряда-разряда встроенной в АБ «умной» электроникой, и аварийный сброс газа, и отслеживание температуры, и конструктивные ухищрения (можно поделить одну АБ на множество независимых ячеек, снизив риск повреждения всей батареи сразу). Однако ни ни одна из них не гарантирует абсолютной безопасности литий-ионного аккумулятора. Свидетельством тому — множество инцидентов с взрывающимися, перегревающимися аккумуляторами смартфонов, ноутбуков, электромобилей, даже самолётов!
В лучшем случае, обнаружив потенциально опасное место в новом аккумуляторе, производитель отзывает его до возникновения проблем — и речь порой идёт о десятках миллионов экземпляров (как Nokia в 2007 год). В худшем, как минувшей зимой с флотом боинговских авиалайнеров 787 Dreamliner, разбираться приходится уже после того, как несколько аккумуляторов перегрелись или загорелись. Для Боинга та история окончилась благополучно (аккумуляторную часть модифицировали), но уже весной те же батареи вызвали проблемы в электромобилях Mitsubishi.
При этом времени остановиться, подумать, отыскать новую технологию, нет. Потребность в аккумуляторных батареях в развитых странах растёт сегодня примерно вдвое быстрей, чем в одноразовых источниках тока. Объясняется это прежде всего стремительным ростом числа мобильных электронных устройств. Но в ближайшем будущем к ним добавятся электромобили, а вскоре после них или одновременно с ними — новая электроэнергетика, называемая «распределённой». Домохозяйства завтрашнего дня сами будут удовлетворять свои потребности в электроэнергии за счёт установленных на крыше солнечных батарей или ветряков. Излишки же электричества будут или продаваться в сеть, или запасаться домашним аккумулятором (чтобы питать дом в плохую погоду или часы повышенных нагрузок). Так удобней, выгодней, надёжней. Мешает мелочь: не существует вменяемых по цене аккумуляторных батарей требуемой ёмкости. Специалисты не стесняются в выражениях: качественная, дешёвая технология аккумуляции электроэнергии станет святым граалем новой энергетики!
Место для разбега
Что ж, здесь найдётся место для каждого исследователя. Одна из замечательных особенностей аккумуляторов в том, что электрохимические процессы, протекающие внутри них, до сих пор до конца не изучены. Базовая «химия» простая и сводится к нескольким уравнениям, но помимо неё в каждой АБ протекают десятки тонких сопутствующих реакций, выяснить влияние которых на эксплуатационные характеристики батареи чрезвычайно сложно и даже не в каждом случае удаётся. Так что всегда есть шанс, добавив к известному процессу какие-то присадки, получить аккумулятор с радикально новыми свойствами.
В последние десять лет внимание исследователей было сосредоточено на литий-ионных АБ, а прорывы ёмкости связаны главным образом с использованием наноструктур. Будь то использование графена (сита из атомов углерода в атом толщиной), кремниевых нанотрубок или «3D-электродов», где анод и катод смешаны в наноматрицу (и то, и другое, и третье — примеры из недавних научных работ), идея в общем одна: максимально увеличить площадь электродов, чтобы увеличить количество запасаемой энергии и ускорить процесс заряда. Результаты подобных экспериментов, как правило, впечатляют: ёмкость вырастает в десятки раз, время зарядки сокращается на два порядка. Чудеса, да и только, но до коммерческой стадии их ещё предстоит довести. А здесь кто-то обещает конец 2013 года, а кто-то берёт пять и даже больше лет на «доводку». И в любом случае поле для экспериментов остаётся: материалы электродов новые, но химия всё та же.
Откровенно говоря, не исключено, что эволюция классических аккумуляторных батарей на этом закончится и дальше техника двинется по другому пути. К примеру, кипят работы над суперконденсатором (он же ионистор), устройством, сочетающим в себе свойства химического источника тока и электрического конденсатора: заряжается мгновенно, но, к сожалению, пока запасает на порядок меньше энергии, чем АБ. Там, где малая ёмкость не проблема, суперконденсаторы уже используются (к примеру, в общественном транспорте этот недостаток компенсируют частыми подзарядками, как уже сделано в электробусах нескольких фирм; применять СК планируется и в российском «Ё-мобиле»). Да и на электрохимии свет клином не сошёлся. Мало того, что аккумуляторные батареи всегда содержат токсичные вещества и требуют правильной утилизации, запасать энергию можно не только химическими реакциями. Скажем, в больших системах могут использоваться механические аккумуляторы, вроде изобретённого нашим соотечественником Нурбеем Гулиа супермаховика (он медленно прокладывает дорогу в энергетику и автомобилестроение).
Но пока именно на классических аккумуляторах сконцентрированы наибольшие усилия. Пробить преграду ёмкости по всему миру пытаются сотни коллективов, от мелких частных лавочек (вроде Seeo) до финансируемых государствами масштабных научных программ, вроде «5-5-5» в США (за пять лет сделать АБ впятеро дешевле и впятеро более ёмкой). Соединённые Штаты вообще вероятней всего выйдут победителем в этой гонке и закрепят своё преимущество патентами: там государство не скупясь финансирует исследования новых АБ. Но, положа руку на сердце, что мешает нам собрать студентов-химиков и, как обычно, компенсировав финансы энтузиазмом, попробовать самим? Ау, эдисоны!
P.S. В статье использована иллюстрация Steve Rainwater.
аккумулятор,супермаховик,Pb,батарея,NiCd,Li-ion,NiMH,железо,нано,ионистор