Текст уведомления здесь

Подключите зарядное устройство

Индустрия литий-ионных аккумуляторов почти достигла предела своих возможностей. Почему? И что дальше?

Искусственные ткани, пластики, металлы, строительные материалы — вокруг нас сплошные продукты научных исследований. Но больше всего наша повседневность завязана на литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, питающие электронику. Ограниченные по емкости, но зато надежные и компактные, они «прописались» в большинстве наших электронных девайсов с начала века, хотя и кажется, что существовали абсолютно всегда. Тем удивительней, что некоторые эксперты предрекают смерть современной технологии литий-ионных аккумуляторов уже в ближайшие десять лет.
Добавить в закладки
Комментарии

Два года назад журналисты Washington Post сделали серию материалов про добычу самых дорогостоящих элементов внутри Li-ion аккумулятора — графита, кобальта и лития. В одном из них — короткий видеоролик. Африка, узкая мутная река — почти ручей, а по берегам — женщины в разноцветных одеждах, дети и суета. Мы в самой гуще рабочего дня: все промывают в ручье куски то ли земли, то ли камней. Быть может, именно отсюда родом кобальт, без которого не может работать аккумулятор вашего смартфона: большая часть его добычи приходится на небольшой регион африканской страны Конго, где есть официальные шахты с касками и минимальными зарплатами, а есть дикая добыча.

В этом видео, кроме гуманитарной проблемы, можно рассмотреть еще и, наверное, главную техническую проблему в производстве Li-ion аккумуляторов. По оценкам аналитического агентства Bloomberg New Energy Finance, уже в 2016 году общая емкость всех проданных Li-ion составила около 120 ГВт*ч. В пересчете на что-то более привычное это 7,5 миллиарда стандартных телефонных аккумуляторов, то есть почти по штуке на каждого жителя Земли. Ноутбуки, смартфоны — инопланетянину люди могут показаться лишь странными животными, обслуживающими плоские коробочки с энергией: каждый вечер они приходят домой, чтобы зарядить их, а с утра отправляются тратить восполненные запасы электричества.

И, если мы еще и захотим использовать Li-ion в электромобилях, даже жестокий рынок кобальта может уже этого не выдержать: либо люди станут работать уже в совсем рабских условиях, либо — что более вероятно — они не смогут добывать кобальт в нужных для индустрии объемах.

Впрочем, это совсем не единственная проблема Li-ion.

Запасливая коробочка

Если кто-то (например, Нобелевский комитет) захочет разобраться, кто первый придумал литий-ионный аккумулятор, то столкнется с серьезной проблемой. В одной работе впервые предложили сам принцип, в другой показали какой-нибудь компонент, а в третьей наконец собрали сам аккумулятор. В общем, истоков у технологии очень много — десятки лет исследований и сотни коллективов, перебиравших материалы и условия.

Основной принцип работы Li-ion аккумулятора достаточно прост. Внутри этой коробочки — разделенные полупроницаемой мембраной два электрода (то есть электропроводящих материала, исполненных в определенном форм-факторе — пластина, проволока, цилиндр и т.д.), погруженных в электролит (очень упрощенно — электропроводящий раствор), богатый ионами лития. В самой популярной на сегодня версии аккумулятора один его электрод сделан из графита, а другой — из оксида кобальта СoO2.

Главные действующие лица в Li-ion аккумуляторах, как видно из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому отлично справляются с ролью хранителей энергии. Li-ion аккумуляторы, с одной стороны, получают почти максимальную удельную емкость в расчете на массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. А с другой стороны, мобильность атомов лития позволяет аккумуляторам быстро разряжаться, выдавая неплохой ток, поскольку эти процессы напрямую связаны с перемещением лития внутри аккумулятора. В свою очередь, графит и оксид кобальта подобраны уже под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют атомам лития легко проходить сквозь них.

Все вместе это работает примерно следующим образом.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Когда аккумулятор заряжен полностью, в графитовом электроде сидит очень много ионов лития. После того как аккумулятор подключают к внешней нагрузке, графит становится положительным электродом, а оксид кобальта — отрицательным. Положительные ионы лития под действием электрического поля начинают течь по электролиту к отрицательному электроду, а графит для соблюдения электронейтральности отдает во внешнюю цепь электроны. Дальше эти электроны совершают какую-то работу и по цепи приходят уже к CoO2, где в конце концов «помогают» приплывшим ионам лития образовать оксид кобальта LiCoO2.

При зарядке аккумулятора все повторяется с точностью до наоборот. Ионы лития и электроны выходят из оксида кобальта, дальше первые бегут по электролиту, а вторые — через внешнюю цепь (то есть электроны бегут в обратную сторону — отрицательный ток), чтобы снова встретиться в графите. Конец первого цикла работы.

Все вместе звучит несложно: просто ионы лития под действием внешнего поля перетекают от одного электрода к другому, попутно проталкивая через внешнюю цепь электроны. Но первое впечатление обманчиво.

Внутреннее напряжение

Мы привыкли воспринимать технологические инструменты как черные ящики. Нажимаешь на кнопку — получаешь результат, и незачем думать о том, что произошло внутри. С аккумуляторами это еще заметнее — то ли из-за из формы, то ли из-за обманчивой простоты конструкции. Но иногда «черные ящики» начинают вести себя странно, обнажая свою начинку.

Самый простой пример — это взрывы и самовозгорания прошлого поколения Li-ion аккумуляторов. Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многочисленных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO2 вырастали ветвистые дендриты. Они в конце концов «коротили» положительный и отрицательные электроды друг на друга, и через аккумулятор начинали проходить слишком большие электрические токи. Это запускало каскад неуправляемых химических реакций с выделением тепла, и аккумулятор плавился или взрывался. Похожая история недавно была с аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7, только они взрывались даже не из-за износа, а из-за просчетов при сборке аккумуляторов.

Образование в литии дендритов, из-за которых деградируют Li-ion аккумуляторы. Источник: Oak Ridge National Laboratory / youtube

Другой пример менее опасный, но зато более знакомый: если разрядить Li-ion аккумулятор несколько раз до нуля, то после он уже гораздо хуже держит электричество, потому что кристаллическая структура электрода из оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.

Еще больше была проблема с зарядкой. Несколько лишних процентов к величине тока или напряжения — и аккумуляторы сразу начинали деградировать. Теперь обычные пользователи защищены от этих фокусов своими зарядными устройствами и встроенными в аккумуляторы электронными схемами, контролирующими ход зарядки, но раньше такого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов разряда и заряда. Вся начинка наших «черных ящиков» тщательно подогнана и смазана годами исследований, чтобы мы могли наслаждаться видимой простотой.

iPhone 3GS, литий-ионный аккумулятор которого вздулся из-за короткого замыкания. Фото: Mpt-matthew / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

iPhone 3GS, литий-ионный аккумулятор которого вздулся из-за короткого замыкания. Фото: Mpt-matthew / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Теперь перед инженерами и учеными стоят новые задачи — Li-ion аккумуляторы сейчас начинают активно использовать в электротранспорте. Уже упомянутый нами отчет Bloomberg New Energy Finance предсказывает, что к 2022 году объем этого рынка обгонит рынок батареек для потребительской электроники.

Но сделать большой Li-ion аккумулятор непросто. По сути, это огромный ансамбль аккумуляторов, синхронизированных между собой. Например, аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый, то есть всего из 1184 элементов. Эта сложная конструкция, по некоторым оценкам, стоит почти половину всей машины.

Чтобы минимизировать издержки, Илон Маск открыл в пустыне Невада огромную фабрику по изготовлению Li-ion аккумуляторов — в проекте суммарная емкость произведенных за год батареек должна достигать 35 ГВт*ч. Экскурсии на эту фабрику, как рассказывают посетители, проходят в режиме повышенной секретности: закрытые комнаты, запретные зоны, коммерческие тайны. Соединить почти 1200 аккумуляторов так, чтобы все они одновременно заряжались и разряжались, — это громадная, сложная задача. Цена ошибки — пожары, взрывы, потеря эффективности.

Гигафабрика. Источник: youtube

Гигафабрика. Источник: youtube

Кроме сложности масштабирования у современных Li-ion есть и другие слабости. Первая из них — это конструкционная сцепка между мощностью аккумулятора и его емкостью: если вы хотите сделать отдельный Li-ion элемент большой мощности, то он обязательно будет и большой емкости (то есть больших размеров). А если хотите маленький аккумулятор, то он автоматически будет показывать скромную мощность. Это не всегда удобно.

Вторая серьезная слабость Li-ion аккумуляторов — это их удельная емкость. Она лучшая среди всех других аккумуляторов, но все-таки достаточно скромная: тот же аккумулятор для Tesla Model S весит около 540 кг и это больше четверти от всей машины. Так что, скажем, подводные лодки на электродвигателях вряд ли появятся.

Нехорошая энергетика

Минусы Li-ion аккумуляторов вряд ли перевесили их проверенные и стабильные плюсы. Но в реальности все еще сложней, чем с деградацией электродов и лишними вольтами. Аккумулятор даже не то что непрозрачный черный ящик — он, будто атом из другой вселенной, неделим и неразложим на составляющие: в 100 граммах докторской колбасы 60 граммов воды, 20 граммов углеводов и 12 граммов белков, в футболке 60% хлопка и 40% полиэстера, а внутри Li-ion аккумулятора от 0% до 100% энергии, а остальное — пустота.

Конечно, в теории мы знаем, что это не так, но в бытовой повседневности все аккумуляторы, компьютеры и телефоны — просто обезличенный продукт без истории и состава. Они оживают, только когда ломаются, начинают «глючить», или когда чье-то любопытство (ребенка? безумца?) вскрывает начинку подручной вещи.

Журналисты Motherboard однажды измельчили айфон в промышленном блендере и выяснили, что внутри него содержится как минимум 31 различный химический элемент. Золото, галлий, ванадий — откуда они там? Зачем?

Внутри Li-ion аккумуляторов тоже много неожиданных историй.

Дикая добыча кобальта — это самая популярная работа в окрестностях африканского города Колвези. Мужчины небольшими группами спускаются в подземные лазы, где почти без всяких инструментов отбивают горную породу, а потом отдают ее на промывку женам и детям и в конце концов продают находки перекупщикам. Средняя выручка на мужчину получается 2−3 $ в день. Добыча — за гранью выживания. Местные даже верят, что подземные залежи кобальта можно опознать по особым цветам, растущим над ними на Земле.

После публикаций Washington Post о добыче кобальта почти каждый крупный производитель электроники чувствовал себя обязанным высказаться. Одни заявили, что тщательно проверяют свои цепи поставок и покупают только кобальт с легальных шахт, другие отговорились, что будут разбираться, а третьи и вовсе в стиле предвыборных обещаний заверили, что откажутся от кобальта. Поверить кому-либо сложно: электроды на кобальте пока превосходят все аналоги, а цепи поставок этого металла слишком запутаны, чтобы их отследить раз и навсегда.

Причины этому две. О первой уже сказано выше: почти 60% мировой добычи кобальта сконцентрировано в Конго — так уж вышло при создании этого мира. И поэтому, хотя в США на законодательном уровне даже есть список металлов, легальное происхождение которых необходимо доказывать продавцам, кобальт в него не входит — по-видимому, не так просто перекрыть денежный кран, питающий больше половины аккумуляторов на планете.

Вторая причина в чем-то симметрична первой: так получилось, что основной потребитель кобальта — это именно индустрия Li-ion аккумуляторов. Поэтому цены на этот металл за последнее десятилетие выросли почти в семь раз, и на быструю прибыль слетелись самые предприимчивые дельцы. Почти все скупщики, действующие на территории Конго, — китайцы, а вся добыча отправляется к ним на родину, где идет либо сразу на производство, либо на склады дальновидных предпринимателей. Резко выросший рынок кобальта, полный трудностей перевода между языками и культурных коллизий, пока живет по своим правилам, где детский труд и рабские зарплаты — вполне нормальные условия.

С литием гуманитарных проблем не меньше. Почти половина этого металла добывается в трех странах — Чили, Аргентине и Боливии. Для рабочих там созданы хорошие условия, но сама разработка может очень сильно угрожать экологии региона. Из-под земли выкачивают огромное количество соленой воды, которую потом отфильтровывают, чтобы получить ценный металл. При этом на одну тонну лития нужно прокачать почти 2 миллиона литров рассола, а прииски расположены в засушливом регионе. Одни специалисты говорят, что такой подход никак не может повредить запасам питьевой воды, другие — что все может закончиться очень быстро и печально.

Добыча лития, Чили. Фото: Andrew O’Brien / flickr / CC BY-NC 2.0

Добыча лития, Чили. Фото: Andrew O’Brien / flickr / CC BY-NC 2.0

Наконец, если рассуждать о ресурсах для Li-ion аккумуляторов, то есть еще категория самых прагматичных опасений, лишенных всяких этических переживаний или ссылок на экологию: по некоторым оценкам, разведанных ресурсов может просто не хватить. Например, по оценкам, приведенным в недавней статье журнала Nature, уже в ближайшее десятилетие спрос на кобальт превысит объемы производства, и даже китайские склады сырья нам не помогут.

Правда, расчеты других экспертов дают противоположные результаты: кобальта хватит как минимум на 40 лет, а других металлов и того больше.

Кто прав, понять сложно. Но очевидно: если мы хотим заменить все двигатели внутреннего сгорания на электродвигатели (а такова легенда), кто-то может очень сильно пострадать от этого желания. В цепях поставок сырья для современных Li-ion аккумуляторов очень много узких мест, которые не смогут расшириться, когда рынок электротранспорта рванет вверх.

Слезть с лития

И вот что в итоге: Li-ion аккумуляторы в их современной версии хороши, но уже по своей природе плохо подходят, например, для питания электрокаров (большая масса и сложности с масштабированием) да еще требуют дорогостоящих и редких ресурсов. Выход очевиден: надо искать другие технологии.

Мягким ходом будет модификация самих Li-ion аккумуляторов — например, замена электродов. Типичный пример — это еще одна недавняя работа в Nature, авторы которой вместо электродов на основе оксида кобальта предлагают работать с оксидом марганца и проводят первые испытания технологии: хорошая емкость, хорошая стабильность, в перспективе — более дешевая конструкция, но очень высокое напряжение зарядки, которое может сделать аккумулятор слишком неудобным или опасным для использования.

Примерно так дела обстоят с каждым аналогом, а их десятки: литиферрофосфатные батареи, литий-никелевые, литий-флуоридные — по совокупности основных технических характеристик они проигрывают обкатанной технологии и подходят только для применения в очень узких нишах. Учитывая, что себестоимость Li-ion аккумуляторов с 2010 года уменьшилась более чем в четыре раза, а спрос уже почти насыщен, близким аналогам Li-ion аккумуляторов без принципиальных преимуществ будет сложно получить своих покупателей.

Можно было бы радикальнее крутануть руль в погоне за Новым Аккумулятором и искать принципиально другие решения электрохимического хранения энергии. Здесь выбор очень разнообразный, и много исследований проводится в том числе и в России: натрий-ионные аккумуляторы, литий-воздушные аккумуляторы, водородные топливные элементы и микробные топливные элементы, проточные батареи. При этом у каждого решения есть преимущества перед Li-ion. Например, в проточных батареях объемы энергозапаса уже не зависят от мощности элемента, и поэтому они идеально подходят, например, для стационарного хранения излишков электроэнергии в распределенных энергосетях или в сетях, завязанных на возобновляемые источники энергии.

Современная qwerty-раскладка была придумана в конце XIX века. Она оптимизирована не под скорость или удобство набора текста, а под работу механических печатных машинок: она сделана так, что самые распространенные буквы максимально разнесены в пространстве, чтобы молоточки с литерами этих букв не задевали друг друга при печати. На машинках мы давно не печатаем, и есть другие, гораздо более удобные для работы раскладки, но так уж получилось, и по сей день большая часть человечества пользуется все тем же вариантом.

C Li-ion аккумуляторами получается похожая история. Они не очень подходят для новых технологий вроде электромобилей, но цепи поставок уже выстроены, сети сбыта сплетены, и порвать их непросто. Тем интересней следить, как будут меняться технологии хранения электрической энергии под давлением наших новых потребностей. Ведь обратная связь тоже обязательно верна: не только повседневность перестраивается под действием научных открытий, но и наука с технологией мутируют, подлаживаясь под нашу жизнь.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью

От теплоэнергетики — к космосу и климату

Большое интервью с лауреатом «Глобальной энергии — 2018», теплофизиком Сергеем Алексеенко

Одним из лауреатов международной премии «Глобальная энергия» в этом году стал академик РАН, экс-директор Института теплофизики СО РАН Сергей Алексеенко (опередивший десяток других финалистов, в том числе Илона Маска). Ученый рассказал корреспонденту «Чердака» о том, как получать энергию из земли, какое физическое явление привело к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и как теплофизика связана с астрономией и космической погодой.
Добавить в закладки
Комментарии

— Сергей Владимирович, вы стали лауреатом премии «Глобальная энергия». Поздравляю!

— Спасибо! Это было неожиданным, несмотря на то что я, по-моему, в пятый раз попадаю в шорт-лист. Мне даже уже показалось, что мое время прошло. Я считаю, что это очень престижная премия, я очень высоко это ценю.

— Эту премию вам вручили по сумме заслуг?

— Я представляю академическую науку. В отличие от крупных компаний, которые доводят разработки до коммерческого продукта, мы занимаемся фундаментальными основами технологий. Я действительно получаю награду по совокупности работ. Мы работаем фактически по всем направлениям энергетических технологий. Это и теплоэнергетика на органическом топливе, и возобновляемые источники энергии, причем почти все виды — солнце, ветер, геотермальное тепло, горючие отходы, ГЭС, накопители энергии и энергосбережение. Почему так много направлений? Дело в том, что главная фундаментальная дисциплина, которая обеспечивает энергетику необходимыми исследованиями, это теплофизика, которую я и представляю. [ ... ]

Читать полностью
Черенковское излучение вокруг ядерного реактораAaron Frank

Быстрее света

За что советские ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1958 году

28 октября 1958 года советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике — за открытие и истолкование эффекта Черенкова. «Чердак» коротко рассказывает о том, кто были эти ученые и что это за эффект.
Добавить в закладки
Комментарии

В 1933 году Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) в лаборатории Физико-математического института обнаружили ранее неизвестное явление. Чистая вода без всяких примесей начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает, когда частица движется быстрее скорости света в плотной среде. Слова «быстрее скорости света» тут не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а вот во всех материалах свет движется медленнее, чем в вакууме, и это уже вовсе не фундаментальное ограничение. Частица, разогнанная в вакууме, вполне может влететь в воду со скоростью, например, 299 791 километр в секунду, в то время как для воды предел составляет около 225 тысяч километров в секунду. А для оптического стекла это значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тысяч км/с, то есть свет распространяется в них вдвое медленнее! [ ... ]

Читать полностью