Углеродные аккумуляторы приходят на смену литиевым

Начиная с 2014 года, американо-японская компания Power Japan Plus, занимающаяся поиском и разработкой материалов для высокоэффективных батарей, запустила производство аккумуляторов нового типа. В разработке принимали активное участие ученые из Университета Кюсю.

Эти аккумуляторы в своей основе имеют органический электролит, который работает, однако, с катодом и анодом, изготовленными из композита на основе углерода, а углерод для батарей получают из хлопка, кофейных зерен или бамбука.

Новые батареи назвали Ryden (Ryden dual carbon battery). В отличие от популярных сегодня литий-ионных батарей, батареи Ryden на основе «двойного углерода» оказываются наиболее эффективными и полностью экологически чистыми. Здесь не используется редкие и тяжелые металлы, таким образом батареи получаются не дорогостоящими и целиком поддаются вторичной переработке. На данный момент это лучший способ хранения электрической энергии.

Если оглянуться на литий-ионные аккумуляторы, созданные изначально в 1991 году компанией Sony Energitech, то они, конечно, обладают значительными преимуществами:

• быстро перезаряжаются и медленно разряжаются;

• имеют низкий саморазряд в районе 10%;

• способны питать самый широкий спектр приборов, начиная с мобильных телефонов, заканчивая сложными космическими аппаратами.

Тем не менее, литий, несмотря на его легкий вес и хорошую удельную плотность энергии, отличается и недостатками: угольный след, токсичность, высокая стоимость, дефицитные компоненты. Эти недостатки лития и побудили исследователей из Японии искать альтернативы менее токсичные, с меньшим риском для окружающей среды, с возможностью легкой утилизации.

Удельная емкость батарей на базе двойного углерода сравнима с литий-ионными аккумуляторами, однако в плане безопасности новые батареи значительно превосходят литиевые. Кроме того новые аккумуляторы гораздо дольше сохраняют рабочий ресурс и быстрее перезаряжаются, что и делает их отличной альтернативой сегодня.

Taisan Team летом 2014 протестировали новые батареи на электрическом гоночном автомобиле, и результаты превзошли все ожидания. Легкий аккумулятор Ryden не перегревался во время гонки, и водителю вообще не нужно было останавливаться или сбрасывать скорость при достижении электролитом аккумулятора опасной температуры. То есть аккумулятору на основе «двойного углерода» громоздкая система охлаждения не требуется в принципе.

Все тонкости касательно устройства батарей производитель, конечно, не раскрывает, однако заявляет об уникальном химическом процессе, который протекает межу анодом и катодом, изготовленными из самого обычного углерода. При этом батарея химически полностью устойчива и не опасна, как литий-ионная, ни для окружающей среды, ни для человека.

Тесты между тем показали скорость зарядки в 20 раз превышающую скорость зарядки литий-ионных батарей аналогичной емкости! Номинальное напряжение одной ячейки составляет 4 вольта. Рабочий ресурс на 50% выше лучших литиевых аналогов — 3000 против прежних максимально достижимых 2000 циклов зарядки — разрядки.

Производство батарей на базе «двойного углерода» не связано с изменением уже работающих линий для литий-ионных батарей, причем за счет отсутствия редких металлов в списке компонентов, исключается зависимость от рыночных цен на сырье. Затраты на утилизацию также перестали быть проблемой, а само производство почти полностью безотходное.

Такой колоссальный технологический скачок стал итогом компромисса, к которому пришли производители и разработчики, они достигли желаемого баланса, - сообщил в пресс-релизе технический директор компании Power Japan Plus, Канаме Такея.

Полномасштабное производство аккумуляторов Ryden типоразмера 18650 началось в префектуре Окинава. И теперь безопасные и эффективные аккумуляторы доступны для разнообразных применений, начиная от медицинской техники, заканчивая электрическим транспортом, для которого Power Japan Plus может поставлять комплектующие для создания батарей большой емкости, чтобы производители электротранспорта могли получить требуемую емкость при самостоятельной сборке.

Поиски экологически чистой замены литию вели с 2014 года и химики из Университета штата Орегон. В поисках эффективного био-материала ими был обнаружен химический компонент, способный произвести революцию в индустрии электрических батарей. Cradle to Cradle — так называется концепция, предполагающая 100% повторное использование материалов, получаемых в процессе человеческой жизнедеятельности: продукт воссоздается либо из исходного материала получается новый.

Новшество заключается в утилизации вредных отходов путем их повторного использования в производстве аккумуляторов. Группа исследователей обнаружила возможность создания дешевых надежных батарей из полициклических ароматических углеводородов.

Соединения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) являются загрязнителями, и их можно найти всюду. Переработка данных соединений позволит создавать устойчивые батареи, при этом очищать окружающую среду. Являющиеся продуктами сжигания углеводородов, ПАУ распространяются по воде, почве, воздуху, и входят в список наиболее вредных для окружающей среды веществ.

Аккумулятор, который разработали в Университете штата Оригон, будет содержать углеродный анод и катод на основе ПАУ. Особый интерес представляет вещество коронин. Коронин в твердой кристаллической форме безопасен. По результатам тестирования выяснилось, что емкость ионов получается достаточно высокой, структура - химически стабильной, и в перспективе можно будет получить батареи отлично подходящие для сохранения энергии солнца и ветра с целью ее дальнейшего использования.

Имеет место очень большое преимущество коронина перед тем же углеродом: углерод несовместим с неводным электролитом, в то время как для коронина это вообще не является проблемой! То есть батареи получатся необслуживаемыми и при этом надежными и устойчивыми. Кстати, исследования относительно формирования звезд показали, что ПАУ присутствует в туманности «Статуя Свободы», то есть Солнце, вероятно, также возникло из среды с содержанием ПАУ — «энергия приходящая от звезд будет использована в батареях, и станет возвращаться к нам снова и снова» - отметила Ханен Хаттаб — доктор философии из Университета Квебека в Монреале.

Со всей очевидностью представляется, что будущее все же за углеродными аккумуляторами. Они будут дешевыми в производстве, не токсичными, безвредными для окружающей среды и для человека. Углерод широко доступен. Обычный уголь содержит 80% углерода. Для любого живого или мертвого организма характерно содержание соединений углерода.

Жизнь невозможна без углерода. Растения получают соединения углерода из воздуха, используют углерод для формирования корневой системы. Животные получают углерод с пищей. И те и другие выделяют его в составе углекислого газа. Так или иначе, углерод не в дефиците, и это вселяет в нас определенную надежду.