Альтернативные химические источники тока

• NiFe: никель-железные аккумуляторы
• NiH: никель-водородные аккумуляторы
• Zinc-Air: цинк-воздушные аккумуляторы
• NaS: натрий-серные аккумуляторы
• Современные версии экспериментальных аккумуляторов
• Перспективы рынка АКБ

Привычные нам современные литиевые аккумуляторы — это результат долгого пути разработок и усовершенствования. Спустя много поколений новых АКБ удалось добиться значительного роста в удельной энергоемкости, мощности, долговечности в сравнении с самыми первыми моделями аккумуляторов. Но прежде следовал долгий путь проб и ошибок, удачных идей и прорывов.

Некоторые из этих успешных разработок пользовались широкой популярностью: например, аккумуляторы никель-металлогидридные, никель-кадмиевые используются до сих пор. Но были и разработки, которые не получили обширного распространения, хотя они имеют большие перспективы — им и посвящена эта статья.

NiFe: никель-железные аккумуляторы

История никель-железных АКБ

Вальдемар Юнгнер, изобретатель никель-кадмиевых аккумуляторов в 1899 году много экспериментировал со своим проектом и искал способы удешевления материалов. Ученый пытался заменить кадмий железом, но вынужден был отказаться от эксперимента из-за низкой эффективности зарядки и образования газов.

В своей лаборатории независимо от событий в Швеции и проекта Юнгнера Томас Эдисон в 1901 изобрёл свой железо-никелевый аккумулятор в качестве альтернативы свинцово-кислотным. Эти устройства активно применяли в электромобилях «Detroit Electric» и «Baker Electric», а также в немецкой ракете «Фау-2». Но совсем скоро рынок покорили бензиновые автомобили, а для стартового аккумулятора в них были выбраны все-таки свинцовые АКБ, оставив железо-никелевые на обочине.

Как работает никель-железный аккумулятор

В аккумуляторах NiFe применяется оксидно-гидроксидный катод, а анод выполнен из железа. В качестве электролита выступает калий-гидроксид. Номинальное напряжение элемента 1,2 В.

Для времени своего изобретения никель-железные аккумуляторы обладали большими токами отдачи, хорошей устойчивостью к вибрациями и высоким температурам. Сейчас их используют разве что на вилочных погрузчиках и некоторых других видах складской техники.

У этого типа АКБ низкая удельная электроёмкость (порядка 50 Вт*ч/кг). Никель-железный аккумулятор не рассчитан на корректную работу при низких температурах и быстро теряет заряд — 20-40% в месяц в режиме хранения, без эксплуатации. Этих недостатков в сочетании с недешевым производством оказалось достаточно, чтобы в конкурентной борьбе возобладали свинцово-кислотные АКБ.

NiH: никель-водородные аккумуляторы 

В 1967 году активно проводились исследования с применением никель-металлогидрида, однако его высокая нестабильность вынудила переключиться на использование NiH и разработку никель-водородных аккумуляторов. 

В никель-водородном аккумуляторе содержатся водородные газы под давлением в стальной емкости. Кроме того, в сосуд заключены твердые электроды из никеля, водородные электроды, электролит и газовые экраны.

Напряжение элемента NiH по номиналу — 1,25 В, величина удельной энергии — от 40 до 75 Вт/кг. Рабочие характеристики и возможность работать при экстремальных температурах от -28 °C до 54 °C наделяют эту категорию аккумуляторов весомыми преимуществами. Вдобавок у них минимальный процент потери заряда и длительный срок эксплуатации даже при регулярном полном разряде, что делает NiH безупречным вариантом для применения на орбитальных спутниках. Однако, на все эти достоинства находится значительный недостаток: маленькая удельная энергия и очень высокая стоимость. Цена одной ячейки для спутника насчитывает тысячи долларов.

Zinc-Air: цинк-воздушные аккумуляторы

В воздушно-цинковых батареях электрическая энергия вырабатывается в ходе окисления цинка кислородом из воздуха. Ячейка способна выдать 1,65 В, но длительный срок службы обеспечивает работа на напряжении до 1,4 В. 

В роли топлива для положительного электрода выступает кислород из воздуха, и в этом цинк-воздушные аккумуляторы схожи с топливными элементами PEMFC.Воздушный поток позволяет в некоторой степени держать под контролем скорость реакции. 

Недостатки Zinc-Air:

• Чувствительность к экстремальным температурам и повышенной влажности.
• Снижение производительности при загрязнении воздуха: повышенный процент углекислого газа провоцирует рост внутреннего сопротивления.
• Одноразовое использование, обусловленное спецификой работы устройства.

Подача воздуха начинается со снятием специального уплотнителя, полное рабочее напряжение достигается за 5 секунд. Этот тип аккумуляторов уже не может прекратить свою работу после включения, зарядке в привычном понимании они не поддаются. Тем не менее, версии для подзарядки существуют: путем замены отработанных электродов в формате пасты из цинкового электролита либо цинковых таблеток. 

Особенности рабочих характеристик аккумулятора Zinc-Air:

• Высокая удельная энергоёмкость, 300–400 Вт/ч;
• Маленькие токи отдачи и, как следствие, низкая удельная мощность;
• Саморазряд в запечатанном состоянии — 2% в год.

Батареи с воздушно-цинковыми аккумуляторами проходили испытания на электромобилях, но в итоге производство для этой цели было прекращено. Сейчас они используются в слуховых аппаратах и для ламп безопасности на стройплощадках.

NaS: натрий-серные аккумуляторы 

Натриевые аккумуляторы знамениты под названием тепловых батарей. Эту технологию придумали немцы во времена Второй мировой, используя в качестве электролита расплавленные соли. NaS выпускались как в одноразовых версиях, так и в перезаряжаемых. Первые модели работали при экстремальных 400–700°C, современные рассчитаны на более низкую температуру 245–350°C. Сейчас их применяют в энергосетях в Японии.

Электролит из расплавленных солей неактивен в холодном состоянии, его можно хранить более 50 лет. Активация происходит с помощью теплового воздействия, после чего батарея обеспечивает подачу энергии в течение нескольких часов. Именно расплавленная соль с её хорошей ионной проводимостью позволяет добиться такой высокой мощности аккумуляторов. 

Одноразовые модификации натриевых батарей применялись в боевых действиях как источник тока на управляемых ракетах. Позже появились и образцы с возможностью перезаряда. Дешевизна материалов, запредельные рабочие температуры и долгое хранение без саморазряда — главные преимущества аккумуляторов NaS. 

Современные версии экспериментальных аккумуляторов

Ученые активно ведут разработки для совершенствования технологий и поиска новых версий аккумуляторов. Они пробуют разные материалы, преследуя цель сделать прорыв в удельной энергоемкости. Естественно, удешевление производства тоже выступает одним из приоритетов в исследованиях. Ниже представлены современные технологии, которые обладают большими перспективами.

Li-air: литий-воздушные аккумуляторы

Разработка литий-воздушных батарей вдохновлена концепцией цинково-воздушных и топливных элементов, а именно их природой «дышать» воздухом. В батарее Li-air применяется литиевый анод, электролит и каталитический воздушный катод, снабжаемый кислородом. 

По прогнозам ученых потенциал накопления энергии Li-ion-air ожидается в 5-10 раз больше, чем у обычных аккумуляторов Li-ion. Правда, до широкого коммерческого использования технологии понадобится минимум два десятка лет. Каждый элемент литий-воздушных батарей будет генерировать напряжение порядка 1,7-3,2 Вольт в зависимости от используемых материалов. Над разработкой трудятся специалисты компаний всего мира: IBM, Liox Power, Excellatron, Lithion-Yardney, Rayovac, Poly Plus. По расчетам, удельная энергия Li-ion-air составляет 13 кВТ*ч. Для сравнения, алюминий-воздух при аналогичных качествах имеет теоретическую удельную энергию, равную 8 кВт*ч.

Li-S: литий-серные аккумуляторы

Литий-серные аккумуляторы — экологически чистые; сера в качестве основного компонента доступна повсеместно.

Пользуясь тем, что атомный вес лития низкий, а серы — умеренный, разработчикам литий-серных батарей удалось получить отличный удельный потенциал 2500 Вт/ч и очень высокую удельную энергию 550 Вт*ч/кг. Это в 3 раза больше, чем у аккумуляторов Li-ion. Напряжение ячейки Li-S 2,1 В.

По мере разряда Li-S аккумулятора литий на поверхности анода растворяется, а при зарядке — восстанавливается нанесением литиевого покрытия на анод. Батарея выдерживает низкие температуры, не спешит разряжаться и даже может заряжаться при -60°C. Недостаток — нестабильность при высоких температурах и ограниченный срок службы: всего 40-50 циклов заряда и разряда, тогда как другие современные типы аккумуляторов служат 300-500 циклов.

Аноды из кремний-углеродного нанокомпозита

Заменив углерод в качестве материала анода на кремний-углеродный нанокомпозит для Li-ion аккумуляторов, ученые смогли улучшить стабильную производительность батареи и увеличить предельные размеры ёмкости АКБ в 5 раз. Это удалось за счет упрощенного доступа ионов лития, по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором. 

Эта разработка обладает огромными перспективами: производство недорогое и несложное, аккумулятор получается безопасным. Недостаток заключается в ограниченном сроке службы из-за структурных проблем, возникающих при введении и изъятии больших объемов литий-иона.

Перспективы рынка АКБ

За последние десятилетия настоящих прорывов в поиске новых химических источников тока не произошло. Последний большой скачок сделали аккумуляторы LiFePO4 и LTO, обогнав по ряду параметров привычные уже литий-ионные батареи. Но на сегодняшний день этой тройкой технологий список прогрессивных типов аккумуляторов ограничивается. Многократное увеличение энергоемкости теоретически возможно, но это случится нескоро. Поэтому покупка современных батарей с хорошими характеристиками точно не устареет морально в ближайшие два десятка лет.