Прийшла пора прощатися зі звичними нам батарейками.

Про ці пристрої ми згадуємо хіба що у випадках, коли в невідповідний момент гасне екран смартфона або на морозі перестає заводитися автомобіль. Вони завжди залишаються в тіні поруч з іншими складовими навколишнього нас техніки. Ми швидше звернемо увагу на діагональ екрану гаджета, якість камери в ньому або (в разі машини) на потужність двигуна ... Але чим далі, тим сильніше відчувається залежність технічного прогресу від властивостей акумуляторів електричної енергії.

ФІНАЛ ЕПОХИ ЛІТІЙ-іонних ЕЛЕМЕНТІВ

У сучасній техніці в переважній більшості випадків використовуються накопичувачі електричної енергії, побудовані за одним і тим же принципом: у водонепроникному корпусі розташовується пара електродів з різних матеріалів, вміщених в електроліт - розчин спеціально підібраних речовин. Уже сотню років тому акумуляторні батареї перестали виглядати, як на картинках із старовинних підручників - вузькі циліндри, поміщені в банку з соляним розчином. Зараз вони представляють собою тоненькі смужки, перекладені пористим матеріалом, просоченим електролітом, і упаковані в компактний корпус.

В останню чверть століття найбільш поширеним типом акумуляторів стали так звані літій-іонні (розроблені майже століття тому, але в промислових масштабах почали проводиться тільки з 1991 р). У них один з електродів виготовлений з літійових речовини, другий - з графіту. Широке поширення цих пристроїв обумовлено солідним переліком переваг: заряджаються набагато швидше за своїх попередників, більш місткі, служать довго. В останні роки вдалося пристосувати їх (збільшити максимальний струм розряду і ємність) для роботи з потужним обладнанням - наприклад, електродвигунами. Тому літій-іонні акумулятори використовуються майже повсюдно - вони живлять і дрібну побутову електроніку, і все активніше входять у наше життя електрокари. Однак все йде до того, що настав час шукати заміну цієї цілком виправдовує себе останню чверть століття технології.

Справедливості заради слід зазначити, що в автомобілебудуванні досі незамінними залишаються свинцево-кислотні акумулятори: велика потужність в поєднанні з дешевизною і надійністю перекривають їх недоліки (наприклад, значні габарити і вага).

ТЕХНОЛОГІЇ, ЯКІ ПРИХОДЯТЬ НА ЗМІНУ батарейки

Отже, літій-іонні акумулятори при всіх їх плюсах вже не справляються зі зростаючими запитами людства, і особливо це помітно в автомобілебудуванні. Такі накопичувачі досить важкі (хоча і незрівнянно легше їх свинцево-кислотних побратимів) і, що набагато серйозніше, - не володіють ємністю, потрібної для досить великого пробігу авто без підзарядки. Така особливість змушує компанії витрачатися на дорогу інфраструктуру у вигляді густої мережі зарядних станцій. Нарешті, хоч і дуже рідко, але такі акумулятори можуть загорятися і вибухати. Пошуки альтернатив цього типу батарей сьогодні інтенсивно ведуться в багатьох країнах.

Графа. Одне з найбільш перспективних (і розрекламованих в засобах масової інформації) напрямків в техніці - розробка нових матеріалів з атомів вуглецю. На подібні наноматеріали покладаються особливі надії через недосяжних в інших речовинах міцності, ваги, електричних властивостей і ще доброго десятка параметрів. Так, дуже перспективним вважається матеріал графен, який представляє собою плоску сітку товщиною в атом з шестикутників, в вершинах якої знаходяться атоми вуглецю.

Зовсім недавно іспанська компанія Graphenano представила один з перших повноцінних, готових до виходу на ринок графенових акумуляторів, і цю батарею вже можна вважати дуже серйозним конкурентом літій-іонним побратимам. Адже новинка в 2 рази легше, майже на 80% дешевше, а заряджається на третину швидше своїх побратимів. Нарешті, графеновий акумулятор не виділяє ніяких газів і не вибухонебезпечний.

Незабаром після повідомлення іспанців на презентації в Пекіні публіці представили китайський графеновий акумулятор для побутової електроніки. Дітище компанії Dongxu Optoelectronics має ємність в 4800 мАг (передбачається, що у iPhone 7 буде батарея ємністю 1960 мАг), повністю заряджається це китайське чудо за чверть години і витримує 3,5 тис. Циклів зарядки-розрядки. Ці показники в 5-7 разів перевершують показники літій-іонної батареї. Правда, китайці нічого не сказали про дату виходу батареї на ринок. У будь-якому випадку, судячи з двох наведених анонсів, чекати масової появи графенових накопичувачів залишилося недовго.

Перспектива. Акумулятори з графена ось-ось вийдуть на ринок.

Водневих ЕЛЕМЕНТИ. У цих пристроях вироблення електроенергії здійснюється за рахунок з'єднання іонів водню з електронами металевих електродів. Однак крім габаритів запеклій перепоною для широкого впровадження цього типу акумуляторних батарей є відсутність компактних і безпечних способів зберігання водню (нагадаємо, що в суміші з киснем повітря цей газ вибухонебезпечний). Якщо судити по частим публікаціям в ЗМІ, в усьому світі зараз йде енергійний пошук полімерів, які могли б безпечно накопичувати водень, як губка, і віддавати його в міру необхідності. У 2015 р британська компанія Intelligent Energy анонсувала конструкцію водневого акумулятора, здатного прийти на зміну літій-іонним. На ринку нова батарейка повинна з'явитися через пару років. За твердженням розробників, форм-фактор нових джерел енергії дозволить встановлювати їх в уже існуючі гаджети, хіба що кришка знадобиться вдосконалена - адже при роботі водневого акумулятора виділяється водяна пара, і його потрібно відводити з корпусу. Зате працювати такий Пихкаючий паром смартфон зможе тиждень без підзарядки.

Водневі батареї. Сумісні з існуючими гаджетами.

ПРОТОЧНИЙ СИСТЕМИ. У цьому виді перезаряджаються джерел живлення енергія генерується при взаємодії двох рідин, розділених мембраною, здатною пропускати заряджені частинки. Рідкі електроліти зберігаються в двох зовнішніх ємностях. Якщо прокачувати рідини через осередок з мембраною, то при русі вони почнуть обмінюватися іонами і виробляти електричний струм. Зворотний процес дозволяє накопичувати енергію в електролітах. Найважливіша перевага проточних акумуляторів полягає в можливості зберігання електролітів в ємностях, окремо від електродів (в звичних нам джерелах енергії всі складові втиснуті в один корпус). Для збільшення потужності батареї потрібно просто взяти бочки побільше, збільшивши обсяг контейнера. Це робить акумулятор ідеально придатним для зберігання великих запасів енергії. Правда, поки цей вид накопичувачів не може конкурувати з популярними літій-іонними батареями.

Проточні акумулятори можуть знайти застосування там, де немає обмежень в розмірах пристрою, але важлива вартість енергії. Наприклад, їх можна розміщувати в підсобних приміщеннях житлових будинків або на електростанціях - для згладжування піків споживання. Дуже перспективно виглядає робота проточних акумуляторів в дуеті з сонячними батареями і вітрогенераторами. Якщо обсяг резервуара з електролітами зробити більше 2 тис. Літрів, то за день цілком можна запастися енергією для забезпечення добових потреб всього будинку.

Є, втім, і серйозний недолік, який заважає розвитку проточних акумуляторів: висока токсичність використовуваних в електролітах речовин.

Об'ємна річ. Проточні акумулятори громіздкі, але ємні.

Ядерні БАТАРЕЙКИ. При впливі радіоактивного випромінювання на алмаз, цей мінерал генерує слабкий електричний струм. А алмаз - той же графіт, тільки має іншу будову. Вчені Брістольського університету запропонували виготовляти штучні алмази з радіоактивного графіту. Виходить, що кристал стане і джерелом випромінювання, і осередком для вироблення енергії. Навіть джерело потрібної сировини знайдений: ним може стати радіоактивний графіт, у великих кількостях утворюється при роботі ядерних реакторів.

Хоча значною потужністю така ядерна батарейка не відрізняється, але зате може забезпечувати стабільну напругу і струм на протязі тисячі років (період напіврозпаду вуглецю-14, ізотопу, з якого пропонується виготовляти батареї, - 5,7 тис. Років). Для того, щоб екранувати небезпечне радіоактивне випромінювання, що супроводжує роботу такого пристрою, пропонується покривати його оболонкою з того ж алмазу, але вже з нерадіоактивного. Таким чином, радіоактивні ізотопи виявляються абсолютно ізольованими від навколишнього середовища в твердих водонепроникному футлярі. Застосування ядерним батареям можна знайти всюди, де потрібно дуже стабільне електропостачання невеликої потужності протягом тривалого часу. Наприклад, всілякі прилади, вживлені в тіло людини (на кшталт кардіостимуляторів). Додаткова вигода від широкого впровадження таких елементів живлення - можливість хоча б частково утилізувати гори небезпечних радіоактивних відходів.

Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram