Этот крошечный шотландский остров почти полностью работает на ВИЭ

Поделиться



Если вам нужен пример реального внедрения системы возобновляемых источников энергии, то можете смело ссылаться на шотландский остров Эйгг, инфраструктура которого почти полностью питается от ветра, солнца и воды. Остров площадью 30 квадратных километров прекрасно демонстрирует потенциал возобновляемых источников энергии и возможность удаленных населенных пунктов полностью обеспечивать себя электроэнергией. Со всего мира на Эйгг приезжают экологи, чтобы ознакомиться с пока уникальной системой энергопотребления.





Система энергоснабжения на острове использует сбалансированное сочетание трех источников энергии – солнца, ветра и волн. Такое комбинирование позволяет стабилизировать работу электросетей, которые питаются от трех гидроагрегатов – одной большой турбины мощностью 100 киловатт и двух небольших мощностью 5-6 киловатт, а также ветряных генераторов мощностью 6киловатт и 50-киловаттной фотоэлектрической установки. При необходимости резервное электроснабжение обеспечивается двумя 70-киловаттными дизельными генераторами.









В среднем, системы возобновляемых источников энергии обеспечивают 90-95 процентов электроэнергии на острове. Для хранения избыточной энергии используются специальные аккумуляторы. Когда эти батареи заполняются – как правило, такое случается в разгар зимы, когда много дождей и ветров – энергия направляется на обогрев общественных зданий, так что ничего не пропадает зря.





На острове действуют ограничения по максимально допустимой мощности: для частных домов ограничение установлено в 5 киловатт общей мощности всего энергопотребления, то есть максимум можно одновременно включить электрочайник и стиральную машинку. Для предприятий верхний предел составляет 10 киловатт. На всех, кто превышает это ограничение, накладывается небольшой штраф.



На Эйгг приезжали группы из таких стран, как Бразилия и Малави, чтобы оценить, каким образом система энергоснабжения острова может быть адаптирована для отдаленных населенных пунктов, которые не имеют надежного доступа к национальной электрической сети.опубликовано  

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: www.sciencealert.com/this-tiny-scottish-island-is-running-almost-entirely-on-renewable-energy

Wright Electric представила революционный пассажирский самолет на 150 мест

Поделиться



Рынок электромобилей продолжает расти, но электрические самолеты еще не стали обычным явлением. Стартап Wright Electric планирует изменить эту ситуацию с помощью 150-местного пассажирского самолета, работающего от электрических аккумуляторов. Недавно Wright Electric представили свою идею инвесторам на проходящем сейчас дне открытых дверей Y Combinator, самого престижного акселератора Кремниевой долины. 





150-местный пассажирский самолет должен, по задумке стартапа, потеснить узкофюзеляжный турбовентиляторный Boeing 737. Для этого Wright Electric заключила партнерское соглашение с бюджетной британской авиалинией EasyJet, которая может реализовать технические решения стартапа.





«Это одна из лучших команд, которые я когда-либо видел», — сказал Майкл Сайбел, глава программы акселератора, имея в виду инженеров Wright Electric. В прошлом они работали на NASA, изучая по поручению агентства потенциал электроавиации. Это позволило стартапу на несколько лет обойти конкурентов, считает сооснователь Wright Electric Джефф Энглер.

Конкретная реализация плана зависит от успехов в технологии создания аккумуляторов. Если в ближайшее десятилетие произойдет заметный прогресс, самолет будет полностью электрическим. В противном случае будет реализована гибридная система, напоминающая автомобиль Chevy Volt.

В прошлом году Boeing и Airbus продали 967 самолетов класса 737 примерно за $90 млн каждый. Возможность отвоевать даже малую долю этого рынка может принести большую экономическую выгоду. опубликовано  

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: ecotechnology

Кремниевые опилки можно использовать для производства аккумуляторов

Поделиться



Когда из крупных листов кремния вырезают отдельные кремниевые пластины для применения в электронике, остается много опилок. Как правило, этот материал просто выбрасывается. Однако, благодаря исследованиям, которые в настоящее время проводятся Японии, в университетах Тохоку и Осаки, этим опилкам может найтись применение в производстве высокопроизводительных литий-ионных батарей.





Исследователи удалили примеси с опилок кремния, а затем измельчили их в пористые «нанохлопья» толщиной около 15 нанометров. Эти хлопья покрыли углеродом и включили в анод батареи.

При испытании литий-ионный аккумулятор с таким анодом показал емкость 1200 мАч/г после 800 циклов зарядки/разрядки, другими словами, емкость этого аккумулятора оказалась в 3,3 раза больше, чем емкость таких же батарей с обычным графитовым анодом.





По словам исследователей, процесс переработки легко масштабировать для массового производства, при этом затраты на такие аноды должны быть достаточно небольшими. Кроме того, ученые подсчитали, что количества ежегодно вырабатываемых кремниевых опилок должно быть достаточно, чтобы удовлетворить мировой спрос на материал для анодов. опубликовано 

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: ecotechnology

Ученые открыли секрет ускоренной зарядки литиевых батарей

Поделиться



Ученые Университета Бат и Чикагского университета штата Иллинойс свершили важное открытие в физике литиевых аккумуляторов — они поняли, что влияет на скорость зарядки батарей и их производительность.Литиевые аккумуляторы — топливо в паровозе мобильной революции. Они применяются в ноутбуках, планшетах, смартфонах, электромобилях и домашних хранилищах энергии. Но их перезарядка обычно занимает немалое время. И прежде чем разработать ускоренный процесс, ученые должны сперва понять, почему добавление заряженных атомов металла в туннельные структуры батарей повышают их производительность.





В соответствии с недавним открытием, большие ионы металла, например, калия, могут улучшать накопление заряда в батареях, но почему так происходит — до сих пор понятно не было.

Международная команда исследователей провела ряд структурных экспериментов и компьютерных симуляций и впервые обнаружила, почему добавление калия в туннельные структуры оксида марганца настолько положительно сказывается на производительности аккумулятора.

Они обнаружили, что положительно заряженные ионы калия ускоряют движение лития внутри туннелей. А от этого зависит скорость зарядки аккумуляторов.





«Понимание этих процессов важно для будущей разработки конструкции и материалов батареи, и может привести к ускоренному процессу подзарядки. Это положительно отразится на покупателях и индустрии, — говорит профессор Сайфул Ислам из британского Университета Бат. — Создание новых материалов — это ключ к более легким, дешевым и безопасным батареям, в том числе — для производства электрического транспорта, который поможет сократить выбросы углекислого газа».

На смену существующим литий-ионным аккумуляторам могут прийти токопроводящие губки с большой площадью поверхности и высокой скоростью зарядки. Они изготавливаются из «металлоорганических структур», о которых науке известно давно, но раньше никто не рассматривал их с точки зрения электропроводности. опубликовано  

 

Источник: hightech.fm/2017/01/20/faster-recharging

11 ошибок, из-за которых ваш телефон выходит из строя уже через пару лет

Поделиться



Многие люди  с трепетом выбирают новый телефон, отдают за него немаленькие деньги, холят его и лелеют в первое время, но все равно неправильно им пользуются.

Сегодня расскажем об 11 ошибках, которые делаем все мы.

 

1. Вы никогда не выключаете свой телефон

 

Не все знают, что отключать телефон необходимо хотя бы раз в неделю. Эксперты утверждают, что это в разы продлевает жизнь аккумулятора.





Не все знают, что отключать телефон необходимо хотя бы раз в неделю. Эксперты утверждают, что это в разы продлевает жизнь аккумулятора.

Кроме того, не рекомендуется пользоваться телефоном в качестве будильника. Перейдите на обычные часы с функцией будильника, и телефон скажет вам спасибо.

 

2. У вас все время включены Wi-Fi и Bluetooth

 

Отключайте ненужные функции всякий раз, когда вы ими не пользуетесь. Это предотвратит потерю заряда и увеличит работоспособность аккумулятора.





В самом деле, зачем вам Bluetooth, если вы заняты работой или бродите по городу?

 

3. Вы используете телефон в экстремальных погодных условиях

 

Практически ни один телефон не спроектирован таким образом, чтобы выдерживать экстремально высокие или экстремально низкие температуры. Нахождение в таких условиях понижает срок службы аккумулятора. Если за окном выше +30 градусов по Цельсию либо ниже –20 градусов по Цельсию, старайтесь вынимать телефон из сумки или кармана только в случае острой необходимости.

 

4. Вы ставите его на зарядку на всю ночь

 

Эксперты утверждают, что заряжать телефон до 100% вредно для аккумулятора





Старайтесь вынимать зарядное устройство, когда батарея заряжена до 95–96%. По этой причине не рекомендуется ставить телефон на ночную зарядку.

 

5. Вы ждете, когда телефон разрядится до 0%, а потом — зарядится до 100%

 

Литиево-ионные аккумуляторы, которыми оснащено большинство телефонов последнего поколения, работают лучше всего, когда их заряжают на 50–80%. Об этом утверждает Шейн Броески, основатель Farbe Technik — компании по производству аксессуаров для заряда аккумуляторов. Заряд аккумулятора сродни перекусу и перерывам на трапезу в течение дня.

 

6. Вы используете неоригинальное зарядное устройство

 

Этим грешат почти все владельцы телефонов, в особенности IPhone. Это неудивительно, ведь шнуры в зарядных устройствах Apple очень быстро перетираются, а стоят новые недешево. 





Несмотря на это, старайтесь не использовать поддельные зарядные устройства. В противном случае вы навредите аккумулятору телефона, и он медленно, но верно погибнет. Известны также случаи, когда телефон взрывался из-за поддельного зарядного устройства. Лучше не рисковать!

 

7. Никогда не чистите устройство

 

Согласно исследованиям, на телефоне скапливается гораздо больше бактерий, чем на крышке унитаза или в миске у вашего питомца. К примеру, производитель Apple рекомендует протирать гаджеты “мягкой тряпочкой без ворса”.





Дезинфицировать телефон можно специальными устройствами с ультрафиолетовым излучением или по старинке — ваткой, смоченной в спирте.

Не забывайте чистить порт для зарядки. Там может скапливаться мусор из карманов, из-за чего могут возникнуть проблемы с соединением. Используйте зубочистку или тонкую иглу.

 

8. Вы держите его в руках, когда ходите по улице

 

По статистике, на долю всех уличных краж приходится 40% краж IPhone. Об этом в прошлом году сообщила Американская федеральная комиссия по связи. Поэтому небезопасно гулять с телефоном в руках, витая в облаках.

 

9. Вы не защищаете телефон паролем

 

Всегда устанавливайте пароль для разблокировки экрана. 





В противном случае преступники украдут вашу информацию или воспользуются вашим приложением для интернет-банкинга быстрее, чем вы успеете одуматься и предпринять какие-либо действия.

 

10. Вы разрешаете всем приложениям использовать функции геолокации

 

Разрешая приложениям постоянно использовать функцию местоположения, вы тем самым собственными руками губите свой телефон. Это функция быстрее разряжает аккумулятор и сокращает срок его службы в разы. Включите геолокацию только  в тех приложениях, где это действительно необходимо.

 

Также интересно: Вот зачем нужно регулярно перезагружать Wi-Fi  

Обложки для iPad могут обзавестись дисплеем и солнечными батареями

 

 

11. Вы разрешаете приложениям бомбардировать вас уведомлениями

 

Push-уведомления также держат телефон в режиме полной боевой готовности и требуют постоянного подключения к данным, истощая этим аккумулятор.





Когда телефон получает очередное уведомление, дисплей загорается, сокращая тем самым срок службы батареи.опубликовано 

 



Источник: marketium.ru/246264/?card=1

11 ошибок, из-за которых ваш телефон выходит из строя уже через пару лет

Поделиться



Многие люди  с трепетом выбирают новый телефон, отдают за него немаленькие деньги, холят его и лелеют в первое время, но все равно неправильно им пользуются.

Сегодня расскажем об 11 ошибках, которые делаем все мы.

 

1. Вы никогда не выключаете свой телефон

 

Не все знают, что отключать телефон необходимо хотя бы раз в неделю. Эксперты утверждают, что это в разы продлевает жизнь аккумулятора.





Не все знают, что отключать телефон необходимо хотя бы раз в неделю. Эксперты утверждают, что это в разы продлевает жизнь аккумулятора.

Кроме того, не рекомендуется пользоваться телефоном в качестве будильника. Перейдите на обычные часы с функцией будильника, и телефон скажет вам спасибо.

 

2. У вас все время включены Wi-Fi и Bluetooth

 

Отключайте ненужные функции всякий раз, когда вы ими не пользуетесь. Это предотвратит потерю заряда и увеличит работоспособность аккумулятора.





В самом деле, зачем вам Bluetooth, если вы заняты работой или бродите по городу?

 

3. Вы используете телефон в экстремальных погодных условиях

 

Практически ни один телефон не спроектирован таким образом, чтобы выдерживать экстремально высокие или экстремально низкие температуры. Нахождение в таких условиях понижает срок службы аккумулятора. Если за окном выше +30 градусов по Цельсию либо ниже –20 градусов по Цельсию, старайтесь вынимать телефон из сумки или кармана только в случае острой необходимости.

 

4. Вы ставите его на зарядку на всю ночь

 

Эксперты утверждают, что заряжать телефон до 100% вредно для аккумулятора





Старайтесь вынимать зарядное устройство, когда батарея заряжена до 95–96%. По этой причине не рекомендуется ставить телефон на ночную зарядку.

 

5. Вы ждете, когда телефон разрядится до 0%, а потом — зарядится до 100%

 

Литиево-ионные аккумуляторы, которыми оснащено большинство телефонов последнего поколения, работают лучше всего, когда их заряжают на 50–80%. Об этом утверждает Шейн Броески, основатель Farbe Technik — компании по производству аксессуаров для заряда аккумуляторов. Заряд аккумулятора сродни перекусу и перерывам на трапезу в течение дня.

 

6. Вы используете неоригинальное зарядное устройство

 

Этим грешат почти все владельцы телефонов, в особенности IPhone. Это неудивительно, ведь шнуры в зарядных устройствах Apple очень быстро перетираются, а стоят новые недешево. 





Несмотря на это, старайтесь не использовать поддельные зарядные устройства. В противном случае вы навредите аккумулятору телефона, и он медленно, но верно погибнет. Известны также случаи, когда телефон взрывался из-за поддельного зарядного устройства. Лучше не рисковать!

 

7. Никогда не чистите устройство

 

Согласно исследованиям, на телефоне скапливается гораздо больше бактерий, чем на крышке унитаза или в миске у вашего питомца. К примеру, производитель Apple рекомендует протирать гаджеты “мягкой тряпочкой без ворса”.





Дезинфицировать телефон можно специальными устройствами с ультрафиолетовым излучением или по старинке — ваткой, смоченной в спирте.

Не забывайте чистить порт для зарядки. Там может скапливаться мусор из карманов, из-за чего могут возникнуть проблемы с соединением. Используйте зубочистку или тонкую иглу.

 

8. Вы держите его в руках, когда ходите по улице

 

По статистике, на долю всех уличных краж приходится 40% краж IPhone. Об этом в прошлом году сообщила Американская федеральная комиссия по связи. Поэтому небезопасно гулять с телефоном в руках, витая в облаках.

 

9. Вы не защищаете телефон паролем

 

Всегда устанавливайте пароль для разблокировки экрана. 





В противном случае преступники украдут вашу информацию или воспользуются вашим приложением для интернет-банкинга быстрее, чем вы успеете одуматься и предпринять какие-либо действия.

 

10. Вы разрешаете всем приложениям использовать функции геолокации

 

Разрешая приложениям постоянно использовать функцию местоположения, вы тем самым собственными руками губите свой телефон. Это функция быстрее разряжает аккумулятор и сокращает срок его службы в разы. Включите геолокацию только  в тех приложениях, где это действительно необходимо.

 

Также интересно: Вот зачем нужно регулярно перезагружать Wi-Fi  

Обложки для iPad могут обзавестись дисплеем и солнечными батареями

 

 

11. Вы разрешаете приложениям бомбардировать вас уведомлениями

 

Push-уведомления также держат телефон в режиме полной боевой готовности и требуют постоянного подключения к данным, истощая этим аккумулятор.





Когда телефон получает очередное уведомление, дисплей загорается, сокращая тем самым срок службы батареи.опубликовано 

 



Источник: marketium.ru/246264/?card=1

BMW i8 обновится и станет мощнее в 2017 году

Поделиться



Предполагается, что на обновленной модели используют технологии машины безопасности чемпионата электрических болидов Формула Е, построенной на базе i8. Суммарная отдача силовой установки, в состав которой входит 1,5-литровый трехцилиндровый ДВС и электромотор, увеличится с 362 до 377 лошадиных сил.





Повлияет ли на динамику прибавка в мощности, пока не известно. Нынешний BMW i8 способен ускоряться с места до «сотни» за 4,4 секунды, а его максимальная скорость ограничена электроникой на отметке 250 километров в час.

Кроме того, купе получит модернизированный комплект литий-ионных аккумуляторов, емкость которых, как ожидается, вырастет с 7,1 до 10 киловатт-часов. На сколько именно увеличится запас хода, не уточняется. Наконец, BMW i8 обзаведется усовершенствованной подвеской.



В России цены на нынешний гибрид BMW i8 начинаются от 10 миллионов 40 тысяч рублей. 

опубликовано  

 

Источник: motor.ru/news/2016/12/26/bmwi8/

Smart Green Tower – многоэтажный экодом, питающий энергией соседние здания

Поделиться



Если электромобиль может работать от литий-ионной батареи, то почему бы не воспользоваться этим решением для зданий? Причем построить такие здания, которые смогут снабжать возобновляемой энергией не только себя, но и соседние дома и даже целые кварталы.





Шестнадцатиэтажное здание, архитектурный облик которого создала фирма Frey Architekten, возведут в городе Фрайбург-им-Брайсгау. В разработке приняли участие Германский Институт солнечных энергосистем имени Фраунгофера (ISE) и концерн Siemens.





Дом оборудуют высокопроизводительными фотоэлектрическими панелями, адаптированными для низкой освещенности. Авторы разработки называют инновационной систему их расположения на фасаде и систему взаимного соединения. Энергия будет аккумулироваться в литий-ионной батарее емкостью 0,5 МВт*ч.

В дополнение к ней будут установлены ванадиевые проточные редокс-аккумуляторы, позволяющие выравнивать колебания возобновляемой электроэнергии, например, в ночное время суток или безветренную погоду, тем самым обеспечивая бесперебойное снабжение.





Внутри дома электропроводка будет запитана током постоянного напряжения. Однако здание будет способно отдавать излишки электроэнергии через соединение с районной электросетью. «Наше общество слишком много тратит впустую. Мы должны более эффективно и бережно относиться к нашим ресурсам», — говорит архитектор проекта Вольфганг Фрай. Это не первый строительный проект в Германии, основанный на использовании возобновляемой энергии. По проекту фирмы Frey Architekten уже идет строительство жилого комплекса Хайдельберг, который будет полностью состоять из «пассивных домов», то есть таких, которые либо не потребляют энергию от внешних источников, либо потребляют ее в десятки раз меньше, чем обычные.





Здания оборудуют солнечными панелями, разобьют вертикальные сады. Избежать расхода энергии позволит даже краска на стенах — она будет окислять оксиды азота, преобразовывая их в безвредные нитраты. Воздух при этом будет насыщаться кислородом. Согласно принятой правительством ФРГ Энергетической концепции, к 2050 году потребность в электроэнергии в стране должна полностью покрываться за счет возобновляемых источников энергии. опубликовано  



 

Источник: ecotechnica.com.ua/arkhitektura/1861-smart-green-tower-mnogoetazhnyj-ekodom-pitayushchij-energiej-sosednie-zdaniya.html

Мотоцикл Johammer J1— железный конь с электрическим сердцем

Поделиться



Австрийский инженер собрал электрический мотоцикл с дальностью пробега на одной зарядке 300 км (чуть меньше по бездорожью) — больше, чем у любой другой модели, доступной на рынке. Электробайк также можно использовать как домашний аккумулятор.

Йохан Хаммершмид описывает свой мотоцикл как «естественное возвращение к концепции лошади». Действительно, его изобретение напоминает средневекового боевого коня в доспехах, но несмотря на это, транспортное средство получило достаточно современные характеристики.





Мотоцикл Johammer J1 оснащен двигателем с номинальной мощностью 11 кВт и пиковой – 16 кВт. Его максимальная скорость ограничена электроникой на уровне 175 км/ч. Разгоняется до «сотни» двухколесный аппарат весом в 159 килограмм за 7 секунд.

Австрийский электромотоцикл комплектуется батареей на 8,3 кВт*ч (также доступны модели с более емким аккумулятором на 12,7 кВт*ч) обеспечивающей дальность пробега до 300 км и заряжающейся за 2 с небольшим часа. Выделяют его также полипропиленовый корпус и система рулевого управления без приборной панели. Все данные выводятся на дисплеи, вмонтированные в зеркала заднего вида. Вращение ручки газа в направлении от водителя включает рекуперативное торможение. Чем сильнее вращаешь — тем скорее сбрасывает скорость машина. Есть и задний ход для помощи при парковке.









Колеса, тормозные колодки и покрышки закупаются у сторонних производителей, иначе пришлось бы проходить длительную сертификацию. Все остальное производится и собирается на месте, на фабрике в восточной Австрии.

Но это еще не вся история: хотя аккумулятор мотоцикла J1 лишь немногим меньше, чем последняя модель домашней батареи Tesla Powerwall, ее можно подключить и использовать для хранения энергии дома или на небольшом предприятии, особенно если есть солнечные панели.





Хаммершмид гордится тем, что его изобретение не вписывается в какую-то одну категорию: то ли это аккумулятор на колесах, то ли мотоцикл со съемной батареей. «Мы сейчас находимся на том же этапе, на котором автомобили были 100 лет назад. Инфраструктура была ограниченной, но быстро развивалась, — говорит он. — То же произойдет с электромобилями, и для их зарядки будут использовать не только специализированные заправки, но и дома, торговые центры, парковки».

Цены на электромотоциклы J1 стартуют с 22 900 евро (предусмотрена также возможность взять аппарат в лизинг). Сейчас компания начала сбор средств, чтобы оплатить затраты на организацию крупносерийного производства.

Превзойти 320 км по дальности пробега на одной зарядке удалось компании Zero, создателю электромотоциклов Zero S и Zero SR. Однако по трассе, в отличие от города, они проедут всего 160 км. опубликовано  





Источник: ecotechnica.com.ua/transport/1822-mototsikl-johammer-j1-zheleznyj-kon-s-elektricheskim-serdtsem-video.html

Литий-ионным аккумуляторам исполнилось 25 лет

Поделиться



В этом году исполнилось 25 лет с момента выхода в продажу первых литий-ионных аккумуляторов, которые изготовила корпорация Sony в 1991 году. За четверть века их ёмкость практически удвоилась с 110 Втч/кг до 200 Втч/кг, но, несмотря на такой колоссальный прогресс и на многочисленные исследования электрохимических механизмов, сегодня химические процессы и материалы внутри литий-ионных аккумуляторов практически те же, что и 25 лет назад. В этой статье будет рассказано, как шло становление и развитие данной технологии, а также с какими трудностями сталкиваются сегодня разработчики новых материалов.



 

1. Развитие технологии: 1980-2000

Ещё в 70х годах учёными было установлено, что существуют материалы под названием халькогениды (например, MoS2), которые способны вступать в обратимую реакцию с ионами лития, встраивая их в свою слоистую кристаллическую структуру. Тут же был предложен первый прототип литий-ионного аккумулятора, состоящий из халькогенидов на катоде и металлического лития на аноде. Теоретически, во время разрядки, ионы лития, «высвобождаемые» анодом, должны встраиваться в слоистую структуру MoS2, а при зарядке оседать обратно на аноде, возвращаясь в исходное состояние.

Но первые попытки создания таких аккумуляторов были неудачны, так как при зарядке ионы лития никак не хотели обратно превращаться в ровную пластину металлического лития, а оседали на аноде как попало, приводя к росту дендритов (цепочек металлического лития), короткому замыканию, и взрыву аккумуляторов. За этим следовал этап детального изучения реакции интеркаляции (встраивания лития в кристаллы с особой структурой), что позволило заменить металлический литий на углерод: сначала на кокс, а потом и на графит, который используется до сих пор и тоже имеет слоистую структуру, способную встраивать ионы лития.

 



Литий-ионный аккумулятор с анодом из металлического лития (а) и анодом из слоистого материала (b).

Начав использовать углеродные материалы на аноде, учёные поняли, что природа сделала человечеству большой подарок. На графите, при самой первой зарядке, образуется защитный слой из разложившегося электролита, названный SEI (Solid Electrolyte Interface). Точный механизм его формирования и состав еще не до конца изучены, но известно, что без этого уникального пассивирующего слоя электролит продолжал бы разлагаться на аноде, электрод бы разрушался, и аккумулятор приходил бы в негодность. Так появился первый работающий анод на основе углеродных материалов, который был выпущен в продажу в составе литий-ионных аккумуляторов в 90-х годах.

Одновременно с анодом видоизменялся и катод: выяснилось, что слоистой структурой, способной встраивать ионы лития, обладают не только халькогениды, но и некоторые оксиды переходных металлов, например LiMO2 ( M = Ni, Co, Mn), которые не только более стабильны химически, но и позволяют создавать ячейки с более высоким напряжением. И именно LiCoO2 был использован в катоде первого коммерческого прототипа аккумуляторов.

 



 

2. Новые реакции и мода на наноматериалы: 2000-2010

В 2000х в науке начался бум наноматериалов. Естественно, прогресс в нанотехнологиях не обошёл стороной и литий-ионные аккумуляторы. И именно благодаря им учёные сделали совершенно, казалось бы, непригодный для данной технологии материал, LiFePO4, одним из лидеров по использованию в катодах электромобильных аккумуляторов.

А дело всё в том, что обычные, объёмные частицы железофосфата очень плохо проводят ионы, да и электронная проводимость у них очень низкая. Но засчёт наноструктурирования литию не надо продвигаться на большие расстояния чтобы встроиться в нанокристалл, поэтому интеркаляция проходит гораздо быстрее, а покрытие нанокристаллов тонкой углеродной плёнкой улучшает их проводимость. В результате в продажу вышел не только менее опасный материал, который не выделяет кислород при высокой температуре (как оксиды), но и материал имеющий способность работать на более высоких токах. Именно поэтому такой катодный материал предпочитают производители автомобилей, несмотря на чуть меньшую ёмкость чем у LiCoO2.

В то же время учёные искали новые материалы, взаимодействующие с литием. И, как выяснилось, интеркаляция, или встраивание лития в кристалл- не единственный вариант реакции на электродах в литий-ионных аккумуляторах. Так, например, некоторые элементы, а именно Si, Sn, Sb, и т.д., формируют «сплав» с литием, если использовать их в аноде. Ёмкость такого электрода в 10 раз превышает ёмкость графита, но есть одно «но»: такой электрод во время формирования сплава сильно увеличивается в объёме, что приводит к его быстрому растрескиванию и приходу в негодность. И для того, чтобы уменьшить механическое напряжение электрода при таком увеличении объёма, элемент (например, кремний) предлагают использовать в виде наночастиц, заключённых в углеродную матрицу, которая «амортизирует» изменения объёма.





Но изменения объёма- не единственная проблема материалов, образующих сплавы, и препятствующая их широкому применению. Как было сказано выше, на графите образуется «подарок природы»- SEI. А на материалах, образующих сплав, электролит разлагается непрерывно и повышает сопротивление электрода. Но тем не менее, периодически мы видим в новостях, что в некоторых аккумуляторах используется «кремниевый анод». Да, кремний в нём действительно используется, но в очень маленьких количествах и смешанный с графитом, чтобы «побочные эффекты» не слишком были заметны. Естественно, когда количество кремния в аноде составляет всего несколько процентов, а остальное- графит, значительного увеличения ёмкости не получится.

И если тема анодов, образующих сплавы, сейчас развивается, то некоторые исследования, начатые в прошлом десятилетии, очень быстро заходили в тупик. Это касается, например, так называемых реакций конверсии. В этой реакции некоторые соединения металлов (оксиды, нитриды, сульфиды и т.д.) взаимодействуют с литием, превращаясь в металл, смешанный с соединениями лития:

MaXb ==> aM + bLinX
M: металл
X: O, N, C, S...

И, как можно себе представить, с материалом во время такой реакции происходят такие изменения, которые даже кремнию не снились. Например, оксид кобальта превращается в наночастицы металлического кобальта, заключённые в матрицу из оксидов лития:

 



 

 

Естественно, такая реакция плохо обратима, к тому же между зарядкой и разрядкой большая разница напряжений, что делает такие материалы бесполезными в применении.

Интересно заметить, что когда эта реакция была открыта, в научных журналах стали публиковаться сотни статей на эту тему. Но тут хочестся процитировать профессора Тараскона из Коллеж де Франс, который сказал, что «реакции конверсии были настоящим полем экспериментов для исследования материалов с наноархитектурой, что давало учёным возможность делать красивые картинки с помощью просвечивающего электронного микроскопа и публиковаться в известных журналах, несмотря на абсолютную практическую бесполезность этих материалов».

В общем, если подвести итог, то, несмотря на то, что в последнее десятилетие были синтезированы сотни новых материалов для электродов, в аккумуляторах до сих под используются практически те же материалы, что и 25 лет назад. Почему же так получилось?

 

3. Настоящее время: главные трудности в разработке новых аккумуляторов.

Как можно заметить, в вышеописанном экскурсе в историю литий-ионных аккумуляторов ни слова не было сказано об ещё одном, важнейшем элементе: электролите. И на это есть причина: электролит за 25 лет практически не изменился и работающих альтернатив предложено не было. Сегодня, как и в 90-е годы, в виде электролита используются соли лития (в основном LiPF6) в органическом растворе карбонатов (этилен карбонат (EC) + диметил карбонат (DMC)). А ведь именно из-за электролита прогресс в увеличении ёмкости аккумуляторов в последние годы замедлился.

Приведу конкретный пример: на сегодняшний день существуют материалы для электродов, которые могли бы значительно увеличить ёмкости литий-ионных аккумуляторов. К ним относится, например, LiNi0.5Mn1.5О4, который позволил бы сделать аккумулятор с напряжением ячейки в 5 Вольт. Но увы, в таких диапазонах напряжения электролит на основе карбонатов становится нестабильным. Или ещё один пример: как было сказано выше, сегодня, чтобы использовать значительные количества кремния (или других металлов, образующих сплавы с литием) в аноде, надо решить одну из главных проблем: образование пассивирующего слоя (SEI), который бы препятствовал непрерывному разложению электролита и разрушению электрода, а для этого надо разработать принципиально новый состав электролита. Но почему же так сложно найти альтернативу существующему составу, ведь солей лития полно, да и органических растворителей достаточно?!

А трудность заключаетя в том, что электролит должен одновременно обладать следующими характеристиками:

  • Он должен быть химически стабилен во время работы аккумулятора, а точнее, он должен быть стойким по отношению к окисляющему катоду и восстанавливающему аноду. Это значит, что попытки увеличить энергоёмкость аккумулятора, то есть, использование ещё более окисляющих катодов и восстанавливающих анодов, не должны приводить к разложению электролита.
  • Электролит также должен обладать хорошей ионной проводимостью и низкой вязкостью для транспортировки ионов лития в широком диапазоне температур. Именно для этого в вязкий этилен карбонат добавляют DMC начиная с 1994 года.
  • Соли лития должны хорошо растворяться в органическом растворителе.
  • Электролит должен формировать эффективный пассивирующий слой. У этилен карбоната это прекрасно получается, в то время как другие растворители, например пропилен карбонат, который был изначально опробован Sony, разрушает структуру анода, так как встраивается в него параллельно с литием.
Естественно, создать электролит, обладающий сразу всеми данными характеристиками очень сложно, но учёные не теряют надежды. Во-первых, ведутся активные поиски новых растворителей, которые бы работали в более широком диапазоне напряжений, чем карбонаты, что позволило бы использовать новые материалы и увеличить энергоёмкость аккумуляторов. В разработке находятся несколько видов органических растворителей: эстеры, сульфоны, сульфоксиды и т.д. Но увы, увеличивая устойчивость электролитов к окислению, уменьшается их устойчивость к восстановлению, и в результате напряжение ячейки никак не меняется. К тому же, не все растворители формируют на аноде защитный пассивирующий слой. Именно поэтому зачастую в электролит подмешивают специальные добавки, например, винилен карбонат, которые искусственно способствуют формированию этого слоя.

Параллельно с улучшением уже существующих технологий, учёные работают и над принципиально новыми решениями. И решения эти можно свести к попытке избавиться от жидкого растворителя на основе карбонатов. К таким технологиям относятся, к примеру, ионные жидкости. Ионные жидкости-это, по сути, расплавленные соли, у которых очень низкая температура плавления, и некоторые из них даже при комнатной температуре остаются жидкими. А всё из-за того, что у этих солей особенная, стерически затрудненная структура, которая усложнят кристаллизацию.



Казалось бы, отличная идея- полностью исключить растворитель, который легко воспламеняется и вступает в паразитические реакции с литием. Но на деле, исключение растворителя создаёт на данный момент больше проблем, чем решает. Во-первых, в обычных электролитах часть растворителя «приносит себя в жертву» для построения защитного слоя на поверхности электродов. А компоненты ионных жидкостей с этой задачей пока не справляются (анионы, кстати, тоже могут вступать в паразитические реакции с электродами, как и растворители). Во-вторых, очень сложно подобрать ионную жидкость с правильным анионом, так как они влияют не только на температуру плавления соли, но и на электрохимическую стабильность. И увы, самые стабильные анионы формируют соли, которые плавятся при высоких температурах, и, соответственно, наоборот.

Ещё один способ избавиться от растворителя на основе карбонатов- использование твёрдых полимеров (например, полиэфиров), проводящих литий, которые, во-первых, минимизировали бы риск утечки электролита наружу, а также препятствовали бы росту дендритов при использовании металлического лития на аноде. Но главная сложность, стоящая перед создателями полимерных электролитов- их очень низкая ионная проводимость, так как ионам лития сложно передвигаться в такой вязкой среде. Это, конечно, сильно ограничивает мощность аккумуляторов. А понижения вязкости влечёт за собой прорастание дендритов.



Также исследователи изучают твёрдые неорганические вещества, проводящие литий с помощью дефектов в кристалле, и пытаются применить их в виде электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Такая система на первый взгляд идеальна: химическая и электрохимическая стабильность, устойчивость с повышению температуры и механическая прочность. Но у этих материалов, опять же, очень низкая ионная проводимость, и использовать их целесеобразно только в виде тонких плёнок. К тому же, работают такие материалы лучше всего при высокой температуре. И последнее, с твёрдым электролитом очень сложно создать механический контакт между электолитом и электродами (в этой области жидким электролитам нет равных).

 

4. Заключение.

С момента выхода в продажу литий-ионных аккумуляторов, попытки увеличить их ёмкость не прекращаются. Но в последние годы увеличение ёмкости замедлилось, несмотря на сотни новых предложенных материалов для электродов. А дело всё в том, что большинство этих новых материалов «лежат на полке» и ждут, пока не появится новый, подходящий им электролит. А разработка новых электролитов- на мой взгляд гораздо более сложная задача, чем разработка новых электродов, так как нужно учитывать не только электрохимические свойства самого электролита, но и все его взаимодействия с электродами. В общем, читая новости типа «разработан новый супер-электрод...» надо проверять, как такой электрод взаимодействует с электролитом, и есть ли для такого электрода подходящий электролит в принципе. опубликовано  

 

Источник: geektimes.ru/post/282424/