зачем кобальт в аккумуляторах
Альтернативы кобальту, этому кровавому алмазу от батареек
Необработанная медно-кобальтовая руда
Когда Джон Гуденаф создал первый перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор в Оксфорде в 1980-м [точнее, разработал катод для него / прим. перев.], ему понадобился кобальт. Эксперименты уже показали, что этот металл обладает большой плотностью энергии и идеально подходит для маленьких батареек, требующих много энергии. Поэтому Гуденаф добыл кобальт самостоятельно, разогревая прекурсоры до очень высоких температур.
Сегодня кобальт присутствует в большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов – но за это приходится платить. Да, этот серебристый металл стоит дорого. Но у него есть и более мрачная цена: длинная история нарушения прав человека, включая использование детей на горнодобывающих работах, связанных с производством металла в Демократической республике Конго. Компании, производящие электронику и электромобили, не хотят расплачиваться за это и демонстрировать свою причастность к этим зверствам, поэтому они пытались урезать количество используемого кобальта. Компания Panasonic, поставщик батареек для Tesla, в июне объявила о разработке батарей, которым не требуется кобальт. Они заручились помощью учёных: Гуденаф и другие специалисты уже разработали перезаряжаемые аккумуляторы, которым не требуется кобальт.
Шахтёр работает на бывшей промышленной кобальт-медной шахте Тилвизембе близ Колвези, столицы провинции Луалаба на юге Конго. Июнь 2016.
У батареек есть анод, плюсовой конец, обычно использующий графит, и катод, отрицательный конец, содержащий комбинацию из лития, кобальта и кислорода. Скорее всего, вы читаете этот текст с устройства, содержащего такую батарею. В электромобилях катод обычно содержит больше никеля, чем более мелкие устройства – что уменьшает давление на цепочку поставок кобальта, но такие аккумуляторы обычно стоят дороже и подвержены большему риску самовозгорания в самолётах, как в печально известном устройстве Samsung Galaxy Note 7. Электроны на внешней орбите атома кобальта спарены, что означает, что он маленький, плотный, и легко формирует слои.
Но новая волна исследователей аккумуляторов, включая и Гуденафа, переходят к таким материалам, как марганец и железо. Вместо слоёв эти элементы скрепляются в структуру, напоминающую каменную соль. Катоды из «каменной соли» уже используются в некоторых устройствах, но пока им не достаёт такой же высокой плотности энергии, как кобальту или никелю.
Исследователи и компании пытаются найти альтернативы. «Кобальт дорог, и люди будут стараться его не использовать», — говорит Гуденаф, до сих пор работающий профессором инженерии в Техасском университете. За последние два года стоимость кобальта выросла в четыре раза, и хотя львиную его долю используют карманные электронные устройства, аккумуляторам электромобилей потребуется почти в 1000 раз больше кобальта, чем телефону. А с учётом антропогенного изменения климата всё больше людей меняют двигатель внутреннего сгорания на электрический. И если для планеты эта тенденция может быть полезной, то цены на кобальт продолжают расти.
Кобальт – это побочный продукт производства других металлов, таких, как никеля и меди, но он также существует в земной коре и самостоятельно, и шахты по его добыче по большей части находятся в Конго. В 2016 году газета Washington Post провела расследование малоизвестной до этого цепочки поставок кобальта, и раскрыла практику использования детского труда и дефицит необходимого оборудования.
Конечно, есть ещё один способ избежать опасностей добычи руды: повторное использование. Но литий-ионные аккумуляторы живут так долго, что в следующие 10 лет количество людей, покупающих их, опередит количество людей, избавляющихся от них, поясняет Эльза Оливетти, профессор, изучающий источники энергии в MTI. В прошлом октябре она опубликовала работу с заключением, что поставки кобальта придётся очень быстро повышать, чтобы удовлетворить спрос в следующие пару лет, особенно с увеличением количества электромобилей. Несмотря на прогресс в разработке катодов и добыче кобальта, наблюдавшийся в последние восемь месяцев, «Я думаю, что общий вывод состоит в том, что нам придётся хорошенько задуматься о кобальте», — пишет она. «Но люди и так начали этим заниматься», разрабатывая катоды со стабильными веществами с высокой плотностью энергии, вроде фосфора и железа.
Но исследователи ищут способы выйти за рамки слоистых аккумуляторов и аккумуляторов типа «каменная соль» – они разрабатывают твердотельные аккумуляторы. Им может понадобиться больше лития, но не обязательно кобальт, и они будут гораздо безопаснее современных литий-ионных батарей. Автомобильные компании, например, BWM, Toyota и Honda, занимаются исследованием таких аккумуляторов, но Оливетти считает, что эта технология будет готова для выхода на рынок не раньше 2025 года. А до тех пор компании будут пытаться смягчить влияние кобальтовых аккумуляторов. Такие компании, как Apple и Samsung, присоединились к инициативе «Ответственный кобальт», призванной обратиться к худшим социальным и экологическим последствиям цепочки поставок. Недавно Apple начала покупать кобальт напрямую у шахтёров, чтобы гарантировать поставщикам достижение приемлемых стандартов труда на их рабочих местах.
Гуденаф всё ещё работает с кобальтом, хотя ему уже 96 лет. И хотя он разработал аккумулятор, работающий без кобальта, он не считает, что дни батареи, проводимые в миллиметре от наших ушей, сочтены. Он говорит, что хотя стоимость кобальта высока, его изначальная схема литий-ионных аккумуляторов всё ещё достаточно хороша [фамилия изобретателя Goodenough состоит из двух слов, good enough, что означает «достаточно хорошо» / прим. перев.].
У вас в смартфоне аккумулятор «кобальтовый»! Что это значит?
В смартфонах литий-ионные (и литий-полимерные) аккумуляторы могут отличаться по форме, ёмкости и даже напряжению. Но все они (99,9%) кобальтовые.
Узнайте, что значит литий-кобальтовый аккумулятор, чем он отличается от других и какие ещё бывают.
Что значит литий-кобальтовый аккумулятор?
Это значит, что в качестве активного компонента катода аккумулятора (+ положительного электрода) используется кобальт.
И поскольку анод (— отрицательный электрод) в литий-ионной технологии был хорошо оптимизирован за последние 30 лет (в аноде используется графит), ключевые характеристики ячейки определяет именно выбор материала катода.
С самого начала кобальт использовался для изготовления катодов литий-ионных аккумуляторов. Это проверенный временем материал со стабильными свойствами и хорошо отработанными поставками.
LiCoO2-аккумуляторы обладают высочайшей плотностью энергии (до 190 Вт·ч/кг, когда как у других 95-120 Вт·ч/кг).
Именно этим свойством кобальтовый катод завоевал смартфонный рынок. Аккумуляторы получаются компактными и хорошо держат заряд в течение дня даже под сильными нагрузками.
Может ли быть в смартфонах аккумулятор Li-ion НЕ кобальтовый?
Для катода нельзя просто взять и выбрать что-то «получше» из периодической таблицы Д.И. Менделеева. Производители вынуждены решать сложную задачу максимальной очистки активного материала.
Тот же кобальт при производстве для аккумуляторных электродов должен быть предельно свободен от примесей.
Применение в электродах кобальта с присутствием железа, ванадия и серы более 0,15% недопустимо. Но возможно у некоторых китайских производителей (качество страдает). Всерьёз эти подделки рассматривать не следует.
Поэтому в большинстве случаев разработчики смартфонов отталкиваются от наиболее недорогих и доступных для массового заказа технологий. LCO-ячейки как раз подходят лучше всего.
Главное для поставщиков чтобы брака было как можно меньше. Характеристики тоже имеют значение для привлечения покупателей.
Какие ещё бывают материалы для катодов в технологии Li-ion помимо LiCoO2-аккумуляторов?
Сегодняшняя промышленность предлагает для литий-ионной технологии готовые катодные материалы. Они задействованы в массовых поставках. Просто покупаешь и внедряешь в производство.
Массовые катодные материалы для Li-ion:
Альтернатива LCO, как видите, существует. Но другим материалам не удалось придать аккумуляторам конкурентную кобальтовой батарее плотность энергии.
Поэтому применение «некобальтовых» катодов в основном отошло в сторону приложений, где компактность не нужна:
Хотя исключения, конечно же, существуют. Например, у Tesla есть опыт применения литий-кобальтовых аккумуляторов в тяговых батареях [источник — исследование литий-ионной технологии на рынке электротранспорта, PDF]. Это к вопросу о том, что литий кобальтовые аккумуляторы где-то ещё применяются помимо смартфонов, планшетов и ноутбуков.
Подытожим про LiCoO2-аккумуляторы
Кобальт завоевал место лучшего материала в качестве активного компонента катодов литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов в мобильных гаджетах (телефоны, смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотоаппараты и так далее).
За батареями с катодом LCO (LiCoO2) самый большой рынок. С характеристиками по напряжению 3,6В (номинальное) и 4,2В (максимальное) они обладают привлекательной сравнительно огромной плотностью энергии 190 Вт·ч/кг. И эти значения можно ещё увеличить за счёт присадок в электролит.
Для самостоятельного изучения применения катодных материалов в литий-ионных аккумуляторах рекомендуем научный материал из сентябрьского выпуска 2008-го года JOM: The Magazine [публикация на TMS].
Номер не первой свежести (особенно по расценкам активных компонентов), но до сих пор актуальный по технической матчасти. В нём приведены подробные и точные сведения проводимых исследований.
Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Кобальт для электромобилей: грозит ли дефицит?
Продолжаем обсуждать вопросы химии — состава литий-ионных аккумуляторов и проблемы ограниченности химических элементов, из которых эти батареи состоят.
В прошлом месяце мы обсудили литий. Сегодня поговорим о кобальте, основываясь на новой статье, которую опубликовал Bloomberg.
В 2008 году комплект Li-ion батарей для электромобиля Tesla Roadster содержал в себе 38 килограммов кобальта, ключевого химического элемента, который, по мнению ряда экспертов, может закончиться. В 2017 году батарея для Tesla такого же размера содержала уже 4,8 кг кобальта.
Сложный химический состав аккумуляторов обеспечивает возможность сэкономить любой материал, который становится слишком дорогим.
Кобальт — важный ингредиент для производства катодов большинства литий-ионных аккумуляторов, «положительного полюса» батареи.
Спрос на такие катоды возрастает по мере роста выпуска электромобилей, что может отражаться на стоимости материала.
Частично данный рост связан с рисками устойчивости поставок кобальта. Более половины мирового производства сконцентрировано в Демократической Республике Конго, которая, несмотря на название, является не очень демократической и не слишком стабильной. Кроме того, часть конголезского кобальта добывается практически вручную с использование детского труда, что беспокоит мировую общественность и, в частности, некоторых покупателей.
Другая часть поставок кобальта на рынок обеспечивает никелевая промышленность, поскольку кобальт здесь является побочным продуктом производства основного — никеля. То есть в данном случае на поставки кобальта влияет конъюнктура на рынке никеля, которая в последние годы была не очень благоприятной (низкие цены и сжимание производства).
Напомню, что для страховки от неустойчивой конъюнктуры и перебоев с поставками, Фольксваген планирует заключить десятилетнее соглашение на покупку кобальта с фиксированными условиями.
Вернёмся к растущему спросу на металл со стороны автомобильной промышленности.
При производстве литий-ионных аккумуляторов используются разные пропорции разных материалов — великое разнообразие химических соединений. Одна из причин, по которой вырос спрос именно на кобальт — это новое регулирование в Китае, которое обусловило отход от производства популярных на местном рынке железо-фосфатных катодов (LFP), в которых не используется кобальт, и, напротив, развитие производства никель-марганец-кобальтовых (NMC), требующих примерно 12,3 кг кобальта на аккумуляторный блок ёмкостью 53 кВт*ч (считается, что литий-никель-марганец-кобальтовые батареи лучше подходят для электромобилей по ряду параметров, в частности они отличаются меньшим самонагревом в сравнении с литий-железо-фосфатными).
Однако, необходимо отметить, что существует множество вариаций никель-марганец-кобальтовых батарей, которые отличаются содержанием кобальта. Считается, что пик применения батарей NMC111 с самым высоким содержанием этого металла уже прошёл. На арену выходят другие химические соединения, в которых используется существенно меньше кобальта. Более того, в новой «химии» — батареях NMC622 и NMC811, которые, по прогнозам Bloomberg New Energy Finance (BNEF), будут становится все популярнее, используется существенно большие никеля, чем в «выходящих из моды» NMC111. Это может опосредованно повлиять и на предложение кобальта на рынке, как субпродукта производства никеля (рост доли новых типов батарей – рост спроса на никель – рост предложения кобальта).
Итак, мир современных аккумуляторов — это большое количество «находящихся в движении» химических соединений. Требования к характеристикам и, соответственно, химическому составу батарей варьируются в зависимости от назначения (стационарные накопители энергии, электромобили, грузовики… самолеты…) и изменяются по мере развития технологий.
Люди нередко думают и предсказывают, что тот или иной товар будет в цене всегда, и эта цена будет только расти. Таким образом, часто недооценивается способность человечества к инновациям, умение найти что-то лучшее. Каменный век, как мы помним, закончился не потому, что закончились камни. Медные артефакты, выплавленные семь тысяч лет назад, свидетельствуют, что недооценка творческих способностей человека — это, как правило, проигрышная ставка.
Взрыв и мировой заговор: история создания литий-ионных аккумуляторов
Перед тем как перейти к чтению, посчитайте, сколько устройств с аккумуляторами находится рядом с вами в радиусе нескольких метров. Наверняка, вы увидите смартфон, планшет, «умные» часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводную мышь? Во всех этих устройствах установлены литий-ионные аккумуляторы — их изобретение можно считать одним из самых важных событий в области энергетики.
Легкие, ёмкие и компактные литий-ионные аккумуляторы способствовали буму портативной электроники, существование которой ранее было невозможным. Вот только гаджеты за последние 30 лет совершили фантастический технологический скачок, а современные литий-ионные аккумуляторы почти не отличаются от первых серийных образцов начала 1990-х годов. Кто и как изобрел литий-ионные перезаряжаемые батареи, какие составы в них используются и существует ли мировой заговор против «вечных» аккумуляторов? Рассказываем.
Легенда о первой батарейке
Между первой попыткой добыть электричество химическим способом и созданием литий-ионных аккумуляторов прошло, возможно, два тысячелетия. Существует неподтверждённая догадка, что первым рукотворным гальваническим элементом в истории человечества была «багдадская батарейка», найденная в 1936 году близ Багдада археологом Вильгельмом Кёнигом. Находка, датируемая II-IV веком до н. э., представляет собой глиняный сосуд, в котором находятся медный цилиндр и железный стержень, пространство между которыми могло заполняться «электролитом» — кислотой или щелочью. Современная реконструкция находки показала, что при заполнении сосуда лимонным соком можно добиться напряжения до 0,4 вольт.
«Багдадская батарейка» вполне похожа на портативный аккумулятор. Или чехол для папирусов? Источник: Ironie / Wikimedia
Для чего могла использоваться «багдадская батарейка», если до открытия электричества оставалась пара тысяч лет? Возможно, ее использовали для аккуратного нанесения золота на статуэтки методом гальванизации — тока и напряжения с «батарейки» для этого вполне хватает. Впрочем, это только теория, ибо никаких свидетельств об использовании электричества и этой самой «батарейки» древними народами до нас не дошло: позолоту в то время наносили методом амальгамирования, а сам необычный сосуд с тем же успехом мог быть всего лишь защищенным контейнером для свитков.
Теория небольшого взрыва
Русская поговорка «Не было бы счастья, да несчастье помогло» как нельзя лучше иллюстрирует ход работ над литий-ионными батареями. Без одного неожиданного и неприятного происшествия создание новых аккумуляторов могло бы задержаться на несколько лет.
В 1978 году Коити Мидзусима (Koichi Mizushima), защитивший докторскую по физике, занимался исследовательской работой в Токийском университете, когда из Оксфорда ему пришло приглашение присоединиться к группе Джона Гуденафа (John Goodenough), занимавшейся поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но укротить капризный металл толком никак не удавалось — недавние эксперименты Уиттингэма показывали, что до начала серийного производства желанных литий-ионных батарей еще далеко.
В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидный анод. Превосходство сульфидов над другими материалами в анодах задало Мидзусиме и его коллегам направление для поисков. Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые было гораздо безопасней.
После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Мидзусима обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует наилучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как до этого предполагала команда Гуденафа, — искать не материал, поглощающий ионы лития, а материал, который охотнее всего отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше прочих ещё и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.
Применение кобальта стало важнейшим, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком мала, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, совершившая один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенным напряжением и емкостью.
Первые коммерческие шаги
На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Мидзусимы, у команды Гуденафа ещё не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод не ровным слоем, а дендритами — рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.
В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами (Rachid Yazami) обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при соприкосновении с графитом, поэтому Язами заменил их твердым электролитом. Графитовый катод Язами был вдохновлен открытием проводимости полимеров профессором Хидэки Сиракавой (Hideki Shirakawa), за что тот получил Нобелевскую премию по химии. А графитовый катод Язами до сих пор используется в большинстве литий-ионных аккумуляторов.
Запускаем в производство? И снова нет! Прошло еще 11 лет, исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с разными материалами катода, прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор.
Коммерческий образец был разработан Sony и японским химическим гигантом Asahi Kasei. Им стала батарея для пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора аналогичного типа.
Кобальтовый камень преткновения
До открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида кобальт не был особо востребованным металлом. Его основные залежи были обнаружены на территории Африки в государстве, сейчас известном как Демократическая Республика Конго. Конго является крупнейшим поставщиком кобальта — 54% этого металла добывается здесь. Из-за политических потрясений в стране в 1970-х цена на кобальт взлетала на 2000%, но позже вернулась к прежним значениям.
Высокий спрос рождает высокие цены. Ни в 1990-х, ни в 2000-х годах кобальт не был одним из главных металлов на планете. Но что началось с популяризацией смартфонов в 2010-е! В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда по планете победно шагали iPhone и Android-смартфоны, спрос подскочил до 25000 тонн и продолжил расти год от года. Сейчас количество заказов превышает объем продаваемого кобальта в 5 раз. Для справки: более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей.
И это же одна из причин, почему производители электрокаров озаботились уменьшением доли кобальта в аккумуляторах автомобилей. Например, Tesla снизила массу дефицитного металла с 11 до 4,5 кг на одну машину, а в будущем планирует найти эффективные составы без кобальта вообще. Поднявшаяся аномально высоко цена на кобальт к 2019 году опустилась до значений 2015 года, но разработчики батарей активизировали работу по отказу или снижению доли кобальта.
В традиционных литий-ионных батареях кобальт составляет порядка 60% от всей массы. Используемый в автомобилях литий-никель-марганцевый состав включает от 10% до 30% кобальта в зависимости от желаемых характеристик батареи. Литий-никель-алюминиевый состав — всего 9%. Однако эти смеси не являются полноценной заменой оксиду литий-кобальта.
Проблемы Li-Ion
На сегодняшний день литий-ионные батареи различных типов — это лучшие аккумуляторы для большинства потребителей. Ёмкие, мощные, компактные и недорогие, они всё же имеют серьёзные недостатки, ограничивающие область использования.
Пожароопасность. Для нормальной работы литий-ионному аккумулятору обязательно нужен контроллер питания, предотвращающий перезаряд и перегрев. В противном случае батарея превращается в очень пожароопасную вещь, норовящую раздуться и взорваться на жаре или при заряде от некачественного адаптера. Взрывоопасность — пожалуй, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов. Для повышения ёмкости внутри батарей уплотняется компоновка, из-за чего даже незначительное повреждение оболочки моментально приводит к пожару. Все помнят нашумевшую историю с Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты внутри корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь проникал кислород и смартфон внезапно вспыхивал. С тех пор некоторые авиакомпании требуют перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади, а на грузовых рейсах на упаковки с батареями лепят большую предупреждающую наклейку.
Старение. Литий-ионные батареи подвержены старению, даже если их не использовать. Поэтому купленный в качестве коллекционного нераспакованный смартфон 10-летней давности, например, самый первый iPhone, будет держать заряд значительно меньше из-за того самого старения батареи. Кстати, рекомендации хранить аккумуляторы заряженными до половины емкости имеют под собой основания — при полном заряде во время долгого хранения батарея гораздо быстрее теряет свою максимальную ёмкость.
Саморазряд. Накапливать в литий-ионных батареях энергию и хранить ее долгие годы — плохая идея. В принципе, все аккумуляторы теряют заряд, но литий-ионные делают этого особенно быстро. Если NiMH-ячейки теряют 0,08–0,33% за месяц, то Li-Ion-ячейки — по 2-3% в месяц. Таким образом, за год литий-ионных аккумулятор потеряет треть заряда, а через три года «сядет» до нуля. Справедливости ради скажем, что у никель-кадмиевых батарей всё ещё хуже — 10% в месяц. Но это совсем другая история.
Чувствительность к температуре. Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры такого аккумулятора: +20 °C градусов считаются идеальной температурой окружающей среды для литий-ионных батарей, если её уменьшить до +5 °C, то батарея отдаст устройству на 10% энергии меньше. Охлаждение ниже нуля забирает от емкости десятки процентов и к тому же влияет на здоровье аккумулятора: если пытаться его зарядить, например, от пауэр-банка — проявится «эффект памяти», а батарея безвозвратно потеряет емкость из-за образования на аноде металлического лития. При средних зимних российских температурах литий-ионная ячейка нефункциональна — оставьте телефон в январе на улице на полчаса, чтобы убедиться в этом.
Чтобы справиться с описанными проблемами, ученые экспериментируют с материалами анодов и катодов. При замене состава электродов одна большая проблема заменяется проблемами поменьше — пожаробезопасность влечет снижение жизненного цикла, а высокий ток разряда понижает удельную энергоемкость. Поэтому состав для электродов выбирается в зависимости от области применения аккумулятора.
Кто украл революцию?
Каждый год на новостных лентах появляются сообщения об очередном прорыве в деле создания чрезвычайно ёмких и выносливых аккумуляторов — вроде как, смартфоны будут работать по году без подзарядки, а заряжаться — за десять секунд. И где же та аккумуляторная революция, которую всем обещают учёные?
Часто в таких сообщениях журналисты передергивают факты, опуская какие-нибудь очень важные подробности. Например, у батареи с мгновенной зарядкой может оказаться очень низкая ёмкость, годная только для питания прикроватного будильника. Или напряжение не дотягивает и до одного вольта, хотя для смартфонов нужно 3,6 В. А ещё для получения путевки в жизнь аккумулятору нужно иметь низкую себестоимость и высокую пожаробезопасность. К сожалению, подавляющее большинство разработок уступало хотя бы по одному параметру, из-за чего «революционные» аккумуляторы так и не выходили за пределы лабораторий.
В конце 00-х Toshiba экспериментировала с перезаряжаемыми топливными ячейками на метаноле (на фото заправка батареи метанолом), но литий-ионные аккумуляторы всё равно оказались удобней. Источник: Toshiba
И, конечно, оставим в стороне теорию заговоров «производителям не выгодны бесконечные аккумуляторы». В наше время аккумуляторы в потребительских устройствах незаменяемые (вернее, поменять их можно, но сложно). 10-15 лет назад заменить испорченную батарею в мобильном телефоне было просто, но тогда источники питания и правда сильно теряли ёмкость за год-два активного использования. Современные литий-ионные аккумуляторы работают дольше, чем составляет средний жизненный цикл устройства. В смартфонах о замене батареи можно задумываться не ранее, чем через 500 циклов зарядки, когда она потеряет 10-15% емкости. И скорее сам телефон утратит актуальность, прежде чем аккумулятор окончательно выйдет из строя. То есть производители аккумуляторов зарабатывают не на замене, а на продаже батарей для новых устройств. Так что «вечная» батарейка в десятилетнем телефоне не нанесёт ущерба бизнесу.
Команда Гуденафа снова в деле
А что же стало с учеными группы Джона Гуденафа, совершившими открытие литий-кобальтового оксида и тем самым давшими жизнь эффективным литий-ионным аккумуляторам?
В 2017 году 94-летний Гуденаф заявил, что вместе с учеными Техасского университета разработал новый тип твердотельных аккумуляторов, которые могут хранить в 5-10 раз больше энергии, чем прежние литий-ионные батареи. Для этого электроды были сделаны из чистого лития и натрия. Обещана и низкая цена. Но конкретики и прогнозов о начале массового производства нет до сих пор. Учитывая долгий путь между открытием группы Гуденафа и началом серийного производства литий-ионных батарей, реальные образцы можно ждать лет через 8-10.
Коити Мидзусима продолжает исследовательскую работу в Toshiba Research Consulting Corporation. «Оглядываясь назад, я удивляюсь тому, что никто до нас не догадался использовать на аноде такой простой материал как оксид литий-кобальта. К тому моменту было испробовано множество других оксидов, поэтому, вероятно, если бы не мы, то в течение нескольких месяцев кто-нибудь другой совершил бы это открытие», — считает он.
Коити Мидзусима с наградой Королевского химического общества Великобритании, полученной за участие в создании литий-ионных аккумуляторов. Источник: Toshiba
История не терпит сослагательных наклонений, тем более что и сам господин Мидзусима признает, что прорыв в создании литий-ионных аккумуляторов был неизбежен. Но всё же интересно представить, каким был бы мир мобильной электроники без компактных и емких батарей: ноутбуки с толщиной в несколько сантиметров, огромные смартфоны, требующие зарядки два раза в день, и никаких умных часов, фитнес-браслетов, экшн-камер, квадрокоптеров и даже электромобилей. Каждый день ученые всего мира приближают новую энергетическую революцию, которая подарит нам более мощные и более компактные аккумуляторы, а вместе с ними — невероятную электронику, о которой мы пока можем только мечтать.