Похоже, литиевые аккумуляторы еще долго останутся единственным надежным источником батарейного питания. В ожидании графенового чуда публика прозевала радикальное улучшение электрохимии на основе лития. Если учесть, что в ряду напряжений левее этого щелочного элемента находится только металлический водород, существование которого пока под вопросом, особой сенсации в том, что компания SolidEnergy анонсировала компактный литий-металлический аккумулятор, вообще-то и нет.
История вопроса
Использование лития в заряжаемых источниках питания лежало на поверхности. Изначально, именно первое поколение литий-металлических аккумуляторов перечеркнуло все перспективы своих менее удачливых конкурентов на основе никель-кадмиевой и металлгидридной электрохимии. Ряд существенных недостатков, самым непреодолимым из которых был размер батареи, отодвинул эту технологию на задворки прогресса. Она уступила лидирующие позиции Li-ионным и Li-полимерным структурам, плюсы и минусы которых мы обсуждали ранее.
Рис 1. Эволюция литиевой электрохимии в портативных аккумуляторных батареях
Как следует из инфографики, представленной компанией SolidEnergy, удельная энергоплотность нового поколения аккумуляторов вдвое превышает показатели литий-ионной батареи и способно обеспечить необходимую автономность портативной техники.
Принцип действия
Конструкция Li-металлических аккумуляторов от SolidEnergy основана на применении в качестве электролита твердой субстанции, которая, тем не менее, является полимерно-ионной жидкостью (Polymer Ionic Liquid, PiL), обеспечивающей высокую энергетическую плотность Li-Ion ячеек. В результате, удельная энергоплотность батареи, выполненной по PiL-технологии, достигает почти 800 Ватт*часов на килограмм веса. В отличие от классических Li-Ion элементов с графитовым анодом здесь полимерно-ионный слой электролита наносится на тонкую литиевую фольгу, что в конечном счете и определяет миниатюрные размеры аккумулятора: он в два раза меньше предшественников.
Рис 2. Сравнение удельной энергоплотности литиевых аккумуляторов
Для сравнения аккумуляторы Panasonic 18650, которые используются в электромобилях Tesla Model S, держат не более 200 Ватт*час/кг.
Рис 3. Характеристики автономного источника питания,
полученные с помощью Java-приложения PowerInfo
Еще пример: мой старенький ноутбук ASUS F9 может работать от автономного источника емкостью 49 Ватт*час до четырёх часов, а вот если бы удалось его оснастить батареей SolidEnergy с PIL-технологией того же веса (0,510 кг), устройство продержалось бы без подзарядки часов десять, если не больше.
Чем привлекательны PiL-аккумуляторы?
Традиционно, в центре внимания разработчиков PiL-аккумуляторов находились три критерия:
- High Energy Density, максимизация энергетической плотности аккумуляторных батарей;
- Safety, повышение уровня безопасности за счет применения негорючих, химически устойчивых, термостабильных веществ;
- Manufacturing, минимизация расходов на модернизацию производственных мощностей.
Если параметры энергоплотности очевидно следуют из презентации и о них все уже сказано выше, то на вопросах к безопасной эксплуатации стоит остановиться подробнее. Не секрет, что литий-полимерные аккумуляторы при перегреве склонны к возгоранию, и это является важной проблемой. У истоков ее короткие замыкания, возникающие между анодом и катодом в виде древовидных ветвящихся структур — дендритов. PiL-электрохимия не оставляет места для «холодных молний», а дополнительной страховкой служит негорючий гель, обволакивающий активные элементы. Не лишне заметить, что уменьшив риск короткого замыкания, разработчики существенно увеличили общий срок службы устройства.
Термические характеристики новых литий-маталлических аккумуляторов выше всяких похвал. Твердотельный электролит позволяет отказаться от систем охлаждения, а равно — и от термоизоляции, обязательной при низких температурах. Ожидается, что батареи можно будет эксплуатировать в диапазоне от -40° C до 250° C. Если честно, последняя цифра выглядит несколько фантастично.
Логично предположить, что управляющие схемы, обеспечивающие, в частности, заданные функции зарядного тока от напряжения, не потребуют радикального редизайна, существенно выходящего за пределы численных характеристик калибровки. Согласно заявлениям экспертов, производство PiL-аккумуляторов можно запускать на существующем оборудовании, применяемом в настоящее время в литий-ионном технологическом процессе. SolidEnergy Systems уже протестировала свою технологию, создав демонстрационную версию источника автономного питания для iPhone 6.
Резюме
Подчеркнем, что речь идет о технологии, прошедшей испытания и готовой к серийному производству. На протяжении всей истории развития мобильных (да и не только мобильных!) источников энергии, существует и будет существовать конфликт двух критериев: емкость должна быть максимальной, а массогабаритные характеристики необходимо минимизировать.
Рис 4. Еще недавно электромобиль выглядел именно так
В инженерной практике, в зависимости от особенностей конкретного устройства, разработчик может оптимизировать эффект применения ячеек SolidEnergy, обладающих вдвое большей энергетической плотностью: увеличить емкость при тех же габаритах, либо уменьшить габариты, не теряя в емкости. Хотя возможны варианты.
В итоге, побочным эффектом от внедрения новых источников энергии станут решения, ранее конструктивно выполненые только в виде стационарных систем. Речь может идти, например, о появлении высокопроизводительной 3D-графики в сфере мобильной электроники.