Цифровой океанHi-Tech

Таблица элементов

Инженеры и ученые перетряхнули всю таблицу Менделеева в поисках вещества, которое даст ключ к легкой, удобной, дешевой энергии — и фантастическому успеху на рынке. «Цифровой океан» выбрал девять самых многообещающих технологий

Текст Павел Иевлев

1Литий-серные аккумуляторы (LI-S)

Разработчики: Lyten, Samsung, LG Chem, OXIS Energy, Panasonic, Solid Power, Sila Nanotechnologies.

Назначение: электромобили (EV), авиация (БПЛА), портативная электроника, космические аппараты.

Преимущества: высокая теоретическая энергоемкость серы (1672 мА·ч/г) открывает возможности для создания более компактных решений в сравнении с традиционными катодными материалами. Сера гораздо дешевле и доступнее редкоземельных металлов, а батареи на ее основе более пожаробезопасны, чем литийионные. Это особенно важно для таких массовых устройств, как смартфоны.

Принцип работы: в электрохимической реакции литий (Li) и сера (S) выступают в качестве основных материалов для анода и катода соответственно. Во время цикла разряда атомы лития на аноде теряют электроны (окисляются), образуя ионы лития (Li+). Затем ионы перемещаются через электролит к катоду, соединяются с серой, образуя в процессе разряда полисульфиды лития. В результате высвобождаются электроны, которые проходят через внешнюю цепь, создавая ток.

Когда выйдут на рынок: литий-серные аккумуляторы уже продаются, но их коммерческое применение пока ограничено из-за проблем с набуханием серного катода и, как следствие, быстрой деградации. Некоторые компании объявили о планах по выпуску литий-серных аккумуляторов для коммерческого использования. Например, Lyten планирует начать поставки для электромобилей в 2025 или 2026 году.

2Твердотельные аккумуляторы

Разработчик: Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT).

Применение: электромобили (EV), телефоны, ноутбуки.

Преимущества: твердотельные батареи более безопасны из-за отсутствия жидкого электролита и обладают высокой плотностью энергии, что делает их идеальными для применения в условиях ограниченного веса и размера, например в портативной электронике. Ожидается, что твердотельные батареи будут служить дольше обычных литийионных и поддерживать более высокие зарядные токи, что важно для быстрой «дозаправки» электромобилей.

Принцип работы: твердый электролит, который может быть изготовлен из различных материалов, включая полимеры, керамику или сульфиды, проводит ионы лития между анодом и катодом, при этом электрически изолируя их друг от друга. Компания Samsung делает ставку на использование в качестве анода композитного слоя серебро-углерод (Ag-C), который позволяет увеличить емкость и срок службы батареи за счет уменьшения проблем с дендритами (древовидными наростами) на электродах.

Когда выйдут на рынок: Samsung активно инвестирует в поиск подходящих материалов для твердых электролитов, обеспечивающих высокую ионную проводимость и стабильность. В 2022 году компания представила прототип твердотельного аккумулятора, который имеет емкость 4000 мА·ч и может заряжаться до 80 % всего за 15 минут, но коммерческое производство планируется запустить только в 2025-м.

3Магниевые батареи

Разработчики: Tesla, Toyota, Honda, Nissan.

Применение: электромобили, бытовая электроника.

Преимущества: магний — это девятый по распространенности элемент в земной коре, поэтому он является более доступным, чем литий. Кроме того, магний обладает более высокой плотностью энергии, то есть может хранить больше энергии в заданном объеме. Магниевые батареи также менее склонны к возгоранию или взрыву, чем литийионные аккумуляторы. Телефоны с такой батареей стали бы легче и безопаснее.

Принцип работы: магний выступает в качестве отрицательного электрода. Положительный электрод может быть изготовлен из различных материалов, таких как литий, марганец или кобальт. Задача исследователей сейчас состоит в поиске материалов, способных эффективно и обратимо интеркалировать (встраивать) ионы магния во время процессов зарядки и разрядки.

Когда выйдут на рынок: распространение магниевых батарей ожидается в ближайшие годы. Некоторые компании уже объявили о планах по запуску коммерческого производства. Например, компания Toyota планирует начать поставки магниевых батарей для электромобилей в 2025 году. Точные сроки зависят от того, насколько быстро удастся решить технические проблемы, такие как высокое внутреннее сопротивление и склонность к окислению.