Пенная, песочная и другие необычные альтернативы литий-ионным батареям

Литий-ионные батареи — один из самых популярных современных видов аккумуляторов. Их широко используют не только в портативной электронике, но и автомобилях. Но и эти источники питания не лишены проблем. Они взрывоопасны, токсичны и частично теряют свои свойства при низких температурах. Чтобы решить эти проблемы, некоторые учёные стараются улучшить конструкцию литий-ионных батарей, но некоторые их коллеги решили пойти дальше, и занялись разработкой собственных безопасных альтернатив.

Мы собрали для вас подборку из необычных, странных и перспективных альтернатив литий-ионным батареям.

Нанопроволочный аккумулятор на основе золота

Своим появлением эта батарейка обязана Мие Ле Тай, студентке Калифорнийского университета, которая совершенно случайно создала её, экспериментируя в лаборатории с различными материалами. Она нанесла на золотой нанопровод диоксид магния, а затем покрыла заготовку электролитным гелем, который быстро твердеет и по своим свойствам напоминает плексиглас. Это позволяет на протяжении длительного времени сохранять структуру нанопроволоки.

Приступив к первому этапу тестирования, учёные с удивлением обнаружили, что изготовленный таким образом аккумулятор раз за разом продолжает исправно работать даже после 200 000 циклов зарядки и разрядки. Для сравнения отметим, что обычный литий-ионный аккумулятор уже после 600 циклов начинает терять ёмкость, редко доживая даже до нескольких тысяч.

Открытие состоялось весной 2016 года, но в продажу такие аккумуляторы всё ещё не поступили. Обычно между появлением первых тестовых образцов и коммерческой версией изобретения проходит несколько лет. Не исключено, что скоро нанопроволочные аккумуляторы на основе золота появятся в продаже.

Пенные аккумуляторы

Компания Prieto использовала для создания аккумуляторов субстрат пенометалла (меди). Одно из главных преимуществ изобретения — отсутствие в нём электролита. Это значит, что пенный аккумулятор не загорится в самый неподходящий момент, как это иногда делают батареи, установленные в смартфоны Samsung. Кроме того, он способен работать гораздо дольше привычных литий-ионных батарей и их аналогов.

Плотность батареи Prieto в пять раз выше, пенный аккумулятор заряжается гораздо быстрее, но стоит в разы дешевле тех батарей, что сейчас есть в продаже. Разработчики продолжают тестировать пенные батареи, но в скором времени планируют создать коммерческую версию продукта и начать внедрение новинки в сегменте мобильной электроники. Со временем компания намерена выпустить и версию для электромобилей.

Алюминий-ионный аккумулятор

Учёные из Стенфордского университета США разработали батарею, способную полностью заряжаться всего за одну минуту. Пока необычный аккумулятор находится на раннем этапе тестирования.

Для создания экспериментального образца аккумулятора учёные взяли алюминиевый анод, графитовый катод и жидкий ионный электролит. Всё это поместили в пакет с полимерным покрытием.

В данном случае электролит — это соль, которая находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Это делает всю конструкцию очень безопасной, как пояснила одна из сотрудниц лаборатории.

Сейчас команда продолжает экспериментировать с разными материалами, поэтому сложно сказать, сможет ли их разработка в её текущем виде заменить привычные батареи в смартфонах, ноутбуках и другой бытовой электронике. Тем не менее, идея уже хороша своей дешевизной, безопасностью и простотой. Единственный серьёзный минус — ёмкость такого аккумулятора. Пока она даже на половину не дотягивает до литий-ионных.

Натрий-ионные аккумуляторы

Попытки создать такие аккумуляторы предпринимались и ранее, но именно швейцарские учёные, как они заявляют, смогли вывести тип таких батарей на новый уровень. На основе бороводородов они разработали новый твёрдый электролит для натрий-ионных аккумуляторов, что в итоге позволило создать твёрдый и стабильный источник питания с напряжением в три вольта. После 250 циклов зарядки-разрядки батарея сохраняет до 80% своей ёмкости. Батарею продолжают тестировать, но её разработчики уверены, что смогут уже в ближайшие годы представить готовую к массовому производству версию.

Ранее для натрий-ионных аккумуляторов предлагалось использовать катоды на основе эльдфеллита, что позволило бы новым аккумуляторам достичь сравнимой с литий-ионными аналогами ёмкости, но с момента начала исследований в 2015 году прошло уже более четырёх лет, а результаты работы были опубликованы только на бумаге. Судьба инновационной батареи в данный момент неизвестна.

Аккумулятор-оригами

Гибкий как бумага аккумулятор J.Flex создали инженеры компании Jenax. По своим свойствам она напоминает плотную бумагу, поэтому её можно складывать, как это показано на снимке. Несмотря на сходство с бумагой, новинка не боится воды и может найти применение в самых различных сферах. Умная одежда, умный дом, носимая и гибкая электроника, шпионская техника — это лишь то, что приходит на ум при первом взгляде на аккумулятор.

Разработчики сообщили, что тестовая батарея выдерживает 200 тысяч сгибаний без потери ёмкости. Интересно, что примерно столько же сгибаний выдерживает экран многострадального фаблета Galaxy Fold от Samsung. Объём аккумулятора и его долговечность пока не раскрывают, видимо, планируя существенно увеличить его к моменту коммерческого релиза.

Батарея, работающая на… моче

Ещё в 2013 году фонд Билла Гейтса пожертвовал круглую сумму разработчикам туалетов для тех районов нашей планеты, где отсутствует нормальное водоснабжение и царит полнейшая антисанитария. Но отсутствие воды — не единственная проблема. С электричеством в таких местах дело тоже обстоит не лучшим образом. Грант от Билла Гейтса учёные успешно отработали и получили новое задание: превратить отходы жизнедеятельности человека в полезный ресурс, но не в удобрения. Бристольская лаборатория робототехники взялась за дело и разработала технологию преобразования мочи в электричество. Учёные даже собрали рабочий прототип уринного аккумулятора, способного заржать смартфоны и другие небольшие гаджеты.

Закончилась история получением ещё одного гранта от Гейтса на продолжение исследований. Главной проблемой бристольского «туалетного аккумулятора» была небольшая мощность, поэтому разработчики озаботились вопросом создания связки из нескольких подобных устройств — это могло бы решить множество проблем и обеспечить полезный уровень электрической мощности.

Органический проточный аккумулятор

В Гарварде тоже озаботились безопасностью окружающей среды и решили внести свой вклад в создание чистых и возобновляемых источников энергии. Но, в отличие от коллег из Бристоля, американцы решили заменить электрокатализаторы из дорогостоящих драгоценных металлов на хиноды, которые можно добывать из некоторых растений или нефти. В аккумуляторах проточного типа энергия накапливается за счёт двух разделённых мембраной жидких компонентов. В одной емкости находился электролит на основе хинона, в другой — жидкий бром.

Первые опытные образцы появились ещё в конце 2014 года и отлично себя зарекомендовали, демонстрируя высокую производительность и стабильность при очень небольшой себестоимости. Но и у таких замечательных разработок есть свои недостатки: бром — едкий и экологически опасный материал, поэтому использовать его в аккумуляторах — не лучшая идея из-за сложностей с последующей утилизацией. После того, как это стало очевидно, исследовали приступили к поиску замены брома на более экологичный компонент, но, судя по всему, пока не преуспели.

Песочная батарея

Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде, будущем месте рождения капитана Джеймса Тиберия Кирка из Star Trek, решили не изобретать новых батарей, зато нашли способ значительно улучшить привычные всем литий-ионные батареи. Для этого они взяли кварц, соль и магний. Затем обожгли полученную смесь, в результате чего смогли получить перспективную и недорогую замену графитовым анодам. Песочная альтернатива не только позволила немного сэкономить, но и увеличила производительность литий-ионных батарей, попутно продлив срок их службы.

Нанопористый аккумулятор

Необычную альтернативу традиционным батареям предложили учёные из университета Мэриленда. Они разработали оригинальную конструкцию размером с почтовую марку из керамической пластины с крохотными сквозными отверстиями. Их заполнили электролитом, соединяющим электроды на верхней и нижней поверхности аккумулятора.

Прототип способен перезаряжаться тысячи раз. Время подзарядки составляет всего 12 минут. К сожалению, при всех достоинствах разработки, её ёмкость оставляет желать лучшего. На момент публикации исследования учёные были заняты попытками увеличить ёмкость батареи хотя бы в десять раз, после чего планировали сразу же выпустить коммерческую версию аккумулятора. С тех пор прошло уже около четырёх лет, поэтому можно предположить, что последняя стадия подготовки к коммерческой версии уже как раз в самом разгаре.

Термобатарея

Австралийский стартап Climate Change Technologies (CCT) разработал термобатарею, которая способна работать на протяжении двадцати лет. Ещё одно важное отличие от литий-ионных батарей — её ёмкость. Австралийская разработка способна запасать в шесть раз больше электричества.

Новинка поглощает электричество и хранит его в форме скрытого тепла. Внутри батареи расположена теплоизоляционная камера, внутри которой находится кремний, плавящийся при воздействии теплового элемента. Далее при необходимости тепловой двигатель преобразует тепло в электричество.

Термобатареи стоят на 30 процентов дешевле литий-ионных аналогов, не требуют обслуживания, а через двадцать лет могут быть легко утилизированы. Стартап уже готовится к производству первой партии, закончить которую планируется уже до конца 2019 года. В ближайших планах компании — строительство производств на территории Швеции, Дании и Нидерландов. Источник