Все цифровые устройства, такие как плееры, смартфоны, диктофоны и другие носимые гаджеты, а также электромобили — все более совершенствуются в своих возможностях. Ограничения накладываются главным образом конечным количеством запасаемой в аккумуляторах энергии.
Смартфон, например, работает после очередной подзарядки максимум 2 дня. Вот если бы аккумуляторы улучшить, сделать их более емкими, то работу на одной зарядке можно было бы многократно продлить.
Однако смартфоны, к сожалению, развиваются в последние 10 лет значительно быстрее нежели совершенствуются технологии создания аккумуляторов. Но надежда на улучшение ситуации есть, ведь наука на месте не стоит, и в последние годы ученые начинают предлагать очень интересные новые решения. Их можно назвать технологиями аккумуляторов будущего. Давайте обратим внимание на некоторые из них.
1. Зарядить электромобиль за 5 минут, а телефон — за 30 секунд
В 2022 году израильская компания StoreDot планирует начать выпуск аккумуляторов для электрокаров и гаджетов на основе революционной технологии литиевых аккумуляторов. Технология позволит электрокарам восстанавливать запас хода на 500 километров всего за 5 минут!
Графит, обычно применяемый в литиевых аккумуляторах, хотят заменить на особую смесь металлоидов, включающую кремний и некоторые запатентованные материалы, лишь недавно синтезированные в лаборатории компании. Процесс формирования смеси менее токсичен, а количество кобальта в батареях будет сокращено вдвое. Кстати, батареи станут при этом еще и безопаснее.
Даже само название компании «StoreDot» содержит в себе намек на крошечные биоорганические пептидные молекулы, известные как «нанодоты», которые повышают плотность хранения заряда и обеспечивают аккумуляторам на базе новой технологии быстрое поглощение и накопление энергии.
Между тем, ученым еще предстоит преодолеть некоторые технические трудности, связанные с необходимостью пропускания очень большого тока в процессе зарядки. Для этого необходима более совершенная система охлаждения кабелей и разъемов как в системе автомобиля, так и непосредственно на зарядной станции.
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов:
2. Как подзарядить телефон от окружающего шума
Британские ученые разработали телефон, способный получать заряд просто из шума, постоянно стоящего вокруг. В основе технологии — пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические наногенераторы сами давно в известном смысле наделали много шума.
И вот теперь уже созданы специализированные генераторы такого рода, работающие на фоновом шуме, и генерирующие из него электрический ток для заряда небольших батарей. По сути телефон заряжается от шума, который во все времена просто действовал людям на нервы, а теперь он сможет приносить ощутимую пользу.
Исследователи создали особую смесь, в которую добавили оксид цинка, и просто покрыли поверхность гаджета данной смесью. Так получилась поверхность, полностью покрытая пьезоэлектрическими наностержнями — генерирующая энергию поверхность аппарата. Эти наностержни очень чувствительны к звуковым волнам и изгибаются от воздействия даже очень слабого звукового давления.
Наногенераторы преобразуют данные колебания в электрический ток, энергии которого достаточно для зарядки аккумулятора. Кроме преобразования звуковых волн шума, наногенераторы работают и от голоса, звучащего во время разговора, так что просто разговаривая по телефону пользователь уже частично восстанавливает заряд своего аккумулятора.
3. Увеличить емкость аккумуляторов чистым кремнием, добытым из песка
В университете Риверсайд группа исследователей, в поисках альтернативного подхода к созданию литий-ионных аккумуляторов, решили заменить традиционный графит на обычный песок. Изначально учеными была отмечена проблема скорой деградации наноразмерного кремния, который к тому же очень сложно получать в промышленных количествах. После этого ученые решили попробовать применить обычный доступный песок.
Песок легко поддается очистке, к тому же его легко наносить в виде порошка. Очищенный песок намочили солью и магнием, затем подвергли нагреванию для удаления кислорода. Так получился чистый кремний пористой структуры, который позволил увеличить емкость элемента втрое, а также повысить эффективность его использования и увеличить срок службы! Производство получается недорогим и экологически безвредным.
4. Зарядить смартфон на ходу
Даже самую обычную одежду можно использовать в качестве генератора электроэнергии, чуть-чуть доработав ее, считают исследователи из Университета Суррей в Манор Парк (Англия). Они предлагают использовать так называемые трибоэлектричские наногенераторы, способные преобразовывать энергию движения поверхности одежды в электрический заряд. Генерируемое таким образом электричество можно накапливать, а затем передавать в обычный литиевый аккумулятор, либо напрямую питать им портативное устройство (плеер, телефон и т.д.).
Принципиально технология трибоэлектрических наногенераторов не имеет практических ограничений, ее можно внедрить даже в стены домов, в тротуарную плитку, в стволы и ветви деревьев, в автомобильные шины и т. д. - всюду, где есть колебания или трение. Такая система позволила бы использовать энергию от движения всего чего угодно — для зарядки аккумуляторов ночных фонарей, гаджетов, сегвеев и тому подобных устройств.
5. Передать энергию к аккумулятору в форме ультразвука
Идея передачи электрической энергии «по воздуху» не нова. Но почему бы не попробовать использовать для этой цели ультразвук? Астробиолог Мередит Перри предлагает встраивать именно ультразвуковые передатчики в элементы интерьера. Ультразвук определенного диапазона не слышен людям и животным, поэтому звуковые волны можно вполне безопасно направить прямо на гаджет, обеспечив таким образом беспроводную зарядку.
Пластина в 5,5 мм толщиной служит в такой системе передатчиком, который автоматически включается только тогда, когда в зоне его действия находится заряжаемый гаджет. Ультразвуковая волна энергии направляется в форме сфокусированного луча и принимается плоским приемником, закрепленным на заряжаемом устройстве. В отличие от Wi-Fi, система uBeam на ультразвуке не может преодолевать стены, зато энергия направляется очень концентрированно.
Аккумуляторы безграничного жизненного цикла
Проблема аккумуляторов любого типа — ограниченное количество жизненных циклов, то есть их можно заряжать и разряжать не бесконечное количество раз. Хорошо бы создать такой аккумулятор, который можно было бы никогда не менять на новый, а просто перезаряжать когда это необходимо, причем делать это сколько угодно раз. В Калифорнийском университете Ирвин создали почти такой идеальный аккумулятор!
Исследователи разработали батарею на основе нанопроводов из золота, способную выдержать до 200000 циклов заряда-разряда без снижения емкости. Проводки тысячекратно тоньше волоса дают возможность создавать огромные площади поверхностей с достаточно высокой проводимостью. Нанопровода покрыты особой оболочкой из гелиевого электролита и диоксида марганца, что позволило получить в результате предельную стойкость к деградации. Это решение считается одним из весьма перспективных на сегодняшний день.
7. Графен открывает новые горизонты
Компания Grabat создала аккумуляторы на базе особой формы углерода — графене. На сегодняшний день именно графеновые батареи являются лучшими из уже доступных на рынке. Они позволяют, например, проехать электрокару 750 километров на одной зарядке.
Принципиально такие батареи способны заряжаться за несколько минут и отдавать заряд в 30 раз интенсивнее чем литий-ионные предшественники. Уже сейчас такие аккумуляторы устанавливают в беспилотные летательные аппараты, кроме того они завоевывают популярность в электротранспорте и в качестве накопителей для домашних электростанций.
8. Пенные аккумуляторы обещают быть дешевыми
Инженеры компании Prieto делают ставку на твердотельные аккумуляторы, создаваемые при помощи печати и на основе медной пены с электрополимеризованным сепаратором. Фирма планирует таким образом создавать самые безопасные, дешевые, быстро заряжаемые и долго живущие аккумуляторы, плотность заряда в которых в 5 раз превзойдет современные литиевые аккумуляторы.
9. Натрий — конкурент литию
Натрий является одним из самых доступных на планете химических элементов. Именно из натрия группа ученых из Японии планирует производить аккумуляторы нового типа. Здесь не нужен редкий литий, а емкость обещает быть в 7 раз выше чем у него!
Начиная с 80-х годов 19 века натрий активно исследуется как основа источников энергии, и вот теперь с использованием соли и современных технологий стало технически возможным сделать натрий-ионный аккумулятор достаточно дешевым. Однако ожидается что до начала широкой практической реализации пройдет еще несколько лет.
10. Водород для зарядки гаджетов
Недавно в продаже появились совершенно необычные умные зарядные устройства для мобильной техники на водородном топливе. Данный продукт носит название Upp. Водород безопасен для окружающей среды, и в процессе зарядки с его помощью образуется лишь водяной пар. Одной водородной ячейки хватит на 5 полных зарядок среднего смартфона. На данный момент устройство не особенно востребовано в силу дороговизны, но идея представляется многим очень интересной и перспективной.
Ранее ЭлектроВести писали, что инженеры Williams Advanced Engineering разработали аккумулятор, который одновременно легче, вместительнее и мощнее литий-ионных батарей. Технологию планируют применять в авто- и мотоспорте и в электрической авиации.
По материалам: electrik.info.
