Майбутнє електричних батарей (Li-ion та інших)

Електрична батарея — електричний або електронний компонент, джерело живлення, яке містить запас енергії й робить її доступною в електричній формі для пристроїв, підключених до нього.

За останні двадцять років з'явилося безліч легких і потужних перезаряджуваних електричних батарей.
Їх ще називають акумуляторами.
Вони забезпечили появу смартфонів, мініатюрних камер високої роздільності, дронів, комерційно конкурентноспроможних електромобілів, безпровідних навушників тощо.
Може здаватися, що ми рухаємося до майбутнього, в якому все на Землі живитиметься від батарей.
Але тут задіяні 2 важливі фактори: Перший. Наскільки легкою й наскільки енергомісткою можна зробити батарею.
І другий.
Чи зможемо ми фізично виробляти достатню кількість батарей.
Зосередьмося на першій частині, а Брайан з каналу "Real Engineering" розповість про другу.
Отже, батареї стають все кращими й кращими.
Зараз вони можуть зберігати вдвічі більше енергії на кілограм своєї маси, ніж у 1990-х (дев'яностих).
Тобто для зберігання тієї ж енергії тепер потрібна вдвічі менша маса.
Цей прогрес зробив можливими безпілотні літальні апарати й смартфони.
То чи існує межа цієї тенденції?
Батареї, в принципі, влаштовані досить просто.
Вам потрібно взяти 2 (два) частково розчинні в певній рідині метали й занурити їх в цю рідину (електроліт).
Атоми одного з цих металів мають тенденцію до розчинення в електроліті, тому вони втрачають частину своїх електронів.
Атоми ж іншого металу, навпаки, мають тенденцію до виділення з розчину; і для цього їм потрібні додаткові електрони.
Якщо з'єднати два цих електроди провідником, речовина одного з електродів розчинятиметься, в той час, як на іншому виділена з розчину речовина осаджуватиметься.
Електрони переходитимуть від першого електрода до другого по провіднику.
Ось вам і електричний струм.
А якщо ви "змусите" струм пройти у зворотному напрямку, то згадані процеси також зміняться на протилежні.
Це і є процес заряджання.
Внутрішні обмеження для мінімальної маси обумовлені двома факторами: масою використаних матеріалів, а також тим, скільки енергії виділяється з розрахунку на кожен переданий електрон.
Тож, нам потрібні найлегші речовини, які даватимуть найбільше енергії на кожен електрон.
Метали з лівої частини періодичної системи, такі як літій, натрій та берилій, легко втрачають електрони, тоді як атоми з правої частини (фтор, кисень та сірка) "прагнуть" приєднати додаткові електрони.
До того ж атоми вгорі мають малу атомну масу.
То що, ми можемо просто з'єднати літій з фтором і зробити ідеальну батарею?
На жаль, ні.
Літій і фтор надто хімічно активні.
Єдине практичне застосування літію та фтору, яке я зміг знайти, - це дуже високоенергетичне та вибухонебезпечне ракетне паливо.
Електрохімія батарей надзвичайно складна.
Потрібне поєднання металів, які добре працюють разом: в електричному і хімічному сенсах.
І їхня взаємодія повинна бути контрольованою при нормальних температурах і тисках.
Наприклад, кисень - це газ, сірка - дуже поганий провідник, а натрій повинен бути розплавленим.
Це утруднює застосування цих речовин в процесі виготовлення батарей.
Сучасний "стандарт" легких, перезаряджуваних та безпечних батарей використовує графіт з літієм з одного боку, і, наприклад, оксид літію-кобальту з іншого боку.
Саме атоми (іони) літію і є тим, що розчиняється або осаджується для перенесення електронів.
Звідси й назва таких батарей - "літій-іонні".
Інші речовини - це своєрідний масивний "баласт".
Вони, звісно ж, відіграють важливу хімічну роль, але також суттєво збільшують масу на кожен перенесений електрон.
То наскільки легкою може бути літій-іонна батарея?
Згідно з розрахунками, мінімально можлива маса літій-іонних батарей становить близько половини їхньої реальної маси в наш час.
Найлегший кандидат - це літій-сірчана батарея, яка може накопичувати таку ж кількість енергії на один переданий електрон, що й літій-іонна, але літій та сірка легші, ніж літій, оксиген, кобальт і вуглець.
Таким чином, батарея з еквівалентною місткістю може мати приблизно на 30% меншу масу.
Іще кращими є літій-кисневі батареї.
Хоча технологія їхнього виготовлення ще дуже далека від реалізації, їхня маса може бути в чотири рази меншою, ніж маса літій-сірчаних батарей.
І це дуже близько до межі для батарей, дія яких ґрунтується на хімічних реакціях.
Не існує жодної іншої речовини, яка видавала б більше енергії на кожен переданий електрон для даної маси, ніж літій в електроді, де відбувається розчинення, і флуор (фтор) на електроді, де відбувається осадження.
Будучи практично неможливою в реалізації й небезпечною, така батарея лиш на 10% легша, ніж літій-киснева.
Отже, теоретичною мінімальною межею є 5% (п'ять відсотків) від маси сучасних батарей.
Але це надзвичайно довгий, ідеальний і малоймовірний сценарій розвитку.
Набагато ймовірніше, що ми поєднаємо достатньо хороші батареї з суперконденсаторами, паливними елементами, гідроенергетикою та іншими способами зберігання енергії.
Літаки ж, найімовірніше, завжди використовуватимуть якесь вуглеводневе паливо.
Або, можливо, нам вдасться нарешті здійснити термоядерний синтез.