Открытие аккумулирующего эффекта, то есть способности накапливать энергию, произошло еще в 1800 году, когда итальянский физик Алессандро Вольта поместил медную и цинковую пластины в кислоту и получил между ними непрерывный электрический ток. Сейчас школьники на уроках химии повторяют подобный эксперимент и добывают электричество из лимона с помощью гвоздя и медной монеты.
Что было до литийионных батарей?
С тех пор разработали много вариантов аккумуляторов. Для них использовали разные вещества в качестве катода (элемента, из которого вытекает электрический ток), анода (элемента, в который ток втекает) и электролита (вещества, которое проводит ток). Как только появилась возможность быстро заряжать такие батареи с помощью динамо-машины, механического генератора электричества, их стали чаще использовать в электротехнике.
Но у таких аккумуляторов была масса недостатков. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы, которые используют в автомобилях, нельзя заряжать быстро: время их зарядки составляет примерно 8–16 часов. Никель-кадмиевые батареи, которые, в частности, используются в домашней электронике как в формате пальчиковых, обладают эффектом памяти, поэтому их иногда необходимо полностью разряжать, чтобы они смогли «вспомнить», как много у них было емкости. Сам кадмий требует особой утилизации.
Когда появились батареи, на которых работает современная техника?
В 70-е, когда английский химик Стэнли Уиттингем начал работу над литийионным аккумулятором, на рынке была острая потребность в новом виде батарей, которые, прежде всего, обладают высокой плотностью энергии. То есть чтобы аккумулятор был небольшим, но устройство от него могло на полной мощности работать целый день.
Уиттингем в экспериментах начал использовать литиевый катод. Но, несмотря на хорошие результаты, прототип стоил очень дорого и постоянно взрывался. Проект закрыли. Работу продолжила группа американского физика Джона Гуденафа, которой удалось создать безопасный образец, существенно повысить напряжение и плотность тока: аккумуляторы стали более мощными и смогли накапливать гораздо больше энергии.
В 1991 году японский химик Акира Есино разработал первый коммерческий прототип аккумулятора для компании Sony. Впервые литийионные батареи появились в видеокамере Sony CCD-TR1. Компания заявляла, что их литийионные батареи безопасны, служат больше 20 лет, их нужно заряжать раз в день и можно использовать в устройствах, потребляющих большое количество энергии. В батареях Sony гелевый электролит, поэтому он не вытекает.
Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Есино получили Нобелевскую премию через 28 лет после начала коммерческого производства литийионных аккумуляторов.
Чем эти аккумуляторы отличаются от остальных?
заведующий лабораторией накопителей энергии в составе Научно-технологического центра автономной энергетики Института арктических технологий МФТИ
«[Одно из главных преимуществ литийионных аккумуляторов] — это энергоемкость. А также высокий ресурс — большое количество циклов заряд-разряд, стойкость к температурным и прочим воздействиям, — необслуживаемость — нет необходимости снимать аккумулятор, доливать в него электролит, заряжать специальными зарядными станциями, — отсутствие эффекта памяти, меньшая токсичность компонентов при утилизации, высокие токи заряда и разряда для современных вариантов». В качестве недостатков он называет высокую цену и низкую стабильность дешевых батарей.
Что изменило это открытие?
Изобретение литийионных аккумуляторов мы считаем прорывом прежде всего по причине того, что это позволило значительно — кратно! — увеличить энергоемкость накопителей электрической энергии: современный уровень энергоемкости литийионных аккумуляторов более 200 ватт-час на килограмм, в то время как для свинцово-кислотных он около 40, а для никель-металлогидридных — около 60.
Это позволило создать современную портативную электронику и электромобили. А с появлением новых материалов, за открытие которых среди лауреатов присутствует Джон Гуденаф, — это еще и эффективная возобновляемая энергетика. Солнце- и ветрогенераторы не работают эффективно без дешевых и быстрых накопителей.
Что будет после эпохи литийионных батарей?
Сейчас отрасль развивается по двум направлениям:
Уменьшение стоимости ватт-часа на цикл (то есть увеличение количества циклов перезарядки. — Прим. ред.) при высокой мощности. Мы говорим о натрийионных и литийтитанатных аккумуляторах прежде всего для применений в сетевой и возобновляемой энергетике.
Значительное увеличении энергоемкости и безопасности. Тут на смену литийионным аккумуляторам должны прийти твердотельные аккумуляторы с новыми электродными материалами, такими как металлический литий и сера. Это направление для применений в электротранспорте и портативной технике, в том числе летательной.
Возможно, литийионные аккумуляторы почти достигли своего потолка. Один из первых сотрудников автомобильной компании Tesla Motors еще в середине 2000-х заметил, что их разработки в области аккумуляторов вышли на плато. Инженеры пытаются уместить большую емкость в тонкий корпус, чтобы смартфоны оставались компактными. Но из‑за ошибок такие батареи могут стать опасными, например, как в 2016 году, когда смартфоны Note 7 загорались во время зарядки.
