Плотность энергии

Количество (плотность) энергии аккумулятора зависит от типа электрохимической схемы и является определяющим фактором технологического прогресса.

Благодаря аккумуляторам мобильные устройства отвязались от розетки, но далеко отползти пока не удаётся. Аккумулятора хватает на 1 день автономной работы смартфона, несколько часов ноутбука и полчаса квадрокоптера. Электромобиль может проехать до 400 километров, но его аккумулятор весит половину этого автомобиля и стоит тоже половину. Причина одна: плотность энергии современных аккумуляторов слишком маленькая.

Количество энергии (Wh), которое может запасти аккумулятор в удельном весе (кг) или удельном объеме (m³) в первую очередь зависит от типа электрохимической схемы аккумулятора. На заре мобильной эры использовались никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Плотность энергии была низкой (50-100 Wh/kg), а мобильные устройства громоздкими и тяжелыми. Переход на литиевые аккумуляторы позволил значительно увеличить плотность энергии. Сейчас наибольшей плотностью энергии обладают литий-полимерные аккумуляторы (250 Wh/kg).

Несмотря на то, что за последние 10 лет плотность энергии увеличилась в 2 раза, мобильные устройства по-прежнему представляют собой большой аккумулятор с маленькой платой и экраном. Более того, производители мобильных устройств с целью уменьшения размера устройства уменьшили относительный размер аккумуляторов, в результате современным смартфонам одного заряда стало с трудом хватать на день. Чтобы обеспечить автономную работу смартфона или ноутбука в течение недели необходимо повысить плотность энергии в 10 раз.

Простые способы исчерпаны

Почему нельзя просто увеличить плотность энергии аккумулятора, добавив больше катодного материала? Теоретически это возможно, ведь заряд литий-ионного аккумулятора определяется количеством ионов лития, которые переходят с катода на анод. Больше ионов лития - больше заряд! К сожалению, на практике увеличение кобальтита лития приводит к менее эффективному выходу ионов лития из катода, металлизации лития на аноде, а также миграции CoO₂ с катода на анод. В результате ухудшается безопасность, увеличивается саморазряд и сокращается ресурс.

Также невозможно бесконечно увеличивать площадь электродов путем уменьшения их толщины. Алюминиевая и медная фольга толщиной 50-100 мкм может быть заменена на более тонкую, но это грозит повреждением при изготовлении и коррозией при эксплуатации. Таким образом, простые способы повышения плотности энергии практически исчерпаны.

Технологическая революция

Если плотность энергии повысить в 10-20 раз, то аккумуляторы смогут сравниться с традиционными источниками энергии - бензином (2900Wh/kg) и дизельным топливом (5500Wh/kg), а это значит, что смогут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания автомобилей и газотурбинными двигателями самолетов. В информационном пространстве время от времени появляются сообщения о прорывных технологиях, который потом, к сожалению, оказываются новостными "утками" (fake news). Фактическое же повышение плотности энергии осуществляется на существующих технологиях производства химических элементов. Применение различных литий содержащих соединений для производства электродных материалов, совершенствование производственных технологий позволяет увеличить плотность энергии на 5% в год. Если технологический процесс будет развиваться с такой скоростью, то до первого коммерческого полета электросамолета осталось всего лет сто!

Национальная безопасность

Объективная необходимость повышения плотности энергии конфликтует с вопросами безопасности. Гонка за ёмкостью уже привела к многократному росту стоимости аккумуляторов, а количество взрывов и пожаров только увеличивается. Получается, что с одной стороны, технический прогресс требует увеличить количество энергии, запасаемой аккумулятором в несколько десятков раз больше, а с другой стороны мощные аккумуляторы представляют серьезную опасность: при случайном или умышленном взрыве аккумулятора смартфона может разрушиться многоквартирный дом, а от взрыва батареи ноутбука - сгореть самолет. Что произойдет, если взорвется аккумулятор электромобиля? В фильме "Терминатор" была показана сила такого взрыва. Насколько готовы мы жить в мире мощных аккумуляторов?

Еще одним важным фактором сдерживающим развитие аккумуляторов являются национальные интересы нефтепроизводящих стран: в первую очередь США и России. В настоящий момент развитие электромобилей является дотационным и поддерживается правительствами только из экологических соображений. Электромобили не представляют экономической угрозы для двигателей внутреннего сгорания, так как электроэнергия первоначально вырабатывается из нефтепродуктов на тепловых электростанциях. Изобретение мощных аккумуляторов даст зеленый свет развитию зеленых технологий, которые без должного аккумулирования энергии пока малоэффективны: солнце светит днем, ветер дует когда хочет, а не когда надо потребителям. Если же себестоимость выработки и хранения зеленой энергии станет дешевле черной, то развитие электромобилей и электросамолетов начнется естественным (бездотационным) путем, а энергетическим монополиям придется потесниться.