«Суммарная энергия замкнутой системы постоянна», – гласит общеизвестный закон. То, что лаконично звучит в теории, оказывается, отнюдь не просто реализовать на практике. Сохранение, а точнее, запасание энергии – сложная инженерная задача, решение которой пока еще имеет немало подводных камней.
Способов запасать энергию существует масса – аккумуляторы, суперконденсаторы, сверхпроводящие магниты, водородные топливные элементы и даже подъем воды на определенную высоту (энергию можно вернуть при спуске воды через турбину). Еще в 50-х годах прошлого века в моде была идея гиробуса – транспортного средства, которое для движения использует запасенную энергию вращения. Лежащее в основе устройство называется маховиком и выглядит как тяжелый прочный диск, помещенный в вакуум и вращающийся с огромной скоростью.
Гиробусы, правда, вскоре оказались на свалке, потому что маховик обладает двумя очень неудачными для общественного транспорта качествами – во-первых, он опасен, а во-вторых, его вертикальную ось сложно повернуть. Гиробусы могли нормально ездить только там, где дорога не имела уклона. Тем не менее идея не пропала зря – маховики значительно выиграли с появлением новых композитных материалов и даже применяются в суперкарах «Формулы-1».
И все же чаще всего мы сталкиваемся с запасенной энергией в виде аккумуляторов на основе лития. Недавно ученые Стэнфордского университета заявили, что им удалось создать литий-серную батарею, допускающую более тысячи циклов перезарядки. Но почему это так важно? Для аккумуляторов существует понятие плотности энергии – нельзя запасти больше энергии, чем это возможно при заданном весе. Этот теоретический предел для популярных сегодня литий-ионных аккумуляторов относительно невысок и может быть достигнут в ближайшем будущем, но литий-серные вследствие иных электрохимических свойств могут запасать в два-три раза больше энергии! Как водится, у них есть проблема – в процессе химической реакции в литий-серных аккумуляторах возникают промежуточные вещества – полисульфиды, которые ухудшают характеристики батареи и приводят к быстрому падению ее емкости.
Эту проблему и решала научная группа из Стэнфорда. Предложенное решение – ввести в электролит комплексные наночастицы, которые «запирают» полисульфиды на электроде. В итоге эти вещества продолжают полноценно участвовать в химических процессах, происходящих внутри батареи. Тесты продемонстрировали невысокую потерю емкости даже после тысячи циклов перезарядки.
Что же сулит нам этот научный успех? В первую очередь ждут своего звездного часа электромобили, до сих пор воспринимаемые многими скорее как забава экологических фриков из стран Запада, чем как реальное транспортное средство. На сегодняшний день дороговизна и тяжесть аккумуляторов не позволяет сделать «электромобиль мечты» – дешевый, удобный и экологичный. Большинство моделей на рынке имеют скромный запас хода от 60 до 150 километров, и это при «оптимальном режиме», когда энергия расходуется только на движение. Если включить кондиционер или печку, это расстояние сократится в два-три раза. Добавьте сюда длительную перезарядку и периодическую замену дорогостоящих батарей. Игрушка не для российских условий?
Однако летом 2012 года Tesla Motors начала поставки Model S – автомобиля с запасом хода до 480 километров и стоимостью 72 тысячи долларов. Немного дешевле версия с запасом хода 260 километров – она стоит 52 тысячи долларов. 9 тысяч долларов за 100 километров хода – вот наглядная арифметика современных электрокаров. Уже реальность, но еще не массовый продукт. А вот если уменьшить цену батарей в два-три раза (либо аналогичным образом поднять их емкость), то рынок ждет глобальный передел, ведь «электрическая» заправка в несколько раз дешевле бензиновой.
Но электроавтомобили – лишь верхушка айсберга. Существенное увеличение удельной емкости батарей может привести к широкому распространению и других устройств, которые пока что очень далеки от массовости. Например, электросамокатов. Имея вес от 15 до 20 килограммов (при запасе хода от 15 до 30 километров), они вряд ли могут считаться удобным аксессуаром городского жителя. Если же планы ученых по улучшению батарей станут реальностью, такие самокаты смогут весить уже от 7 до 10 килограммов и стоить от 100 до 200 долларов. Легкая и недорогая штуковина, на которой можно добраться от дома до метро или до работы, способна будет стать популярным средством передвижения в мегаполисе, решив часть транспортных проблем.
От инноваций в электрохимии выиграет и альтернативная энергетика – ведь ветряным и солнечным установкам также требуются мощные аккумуляторы. Неравномерный режим работы, при котором количество вырабатываемой энергии зависит как от времени суток, так и от случайных факторов, требует куда-то отдавать излишки энергии. И забирать их, когда ветер стих или солнце зашло за горизонт. Подобных примеров множество. Портативные электроинструменты, радиоуправляемые летающие модели, бытовые роботы и даже кибернетические жуки – всегда будут существовать устройства, у которых потребности в запасенной энергии с трудом покрываются имеющимися возможностями.
А пока одни ученые прочат коммерческий успех своим литий-серным аккумуляторам, другие подбираются к новым вершинам. Группа из Технологического института Карлсруэ создает фторидные аккумуляторы, которые потенциально способны хранить в два с половиной раза больше энергии, чем литий-серные, и в шесть раз больше, чем литий-ионные. Переносчиками заряда в таких батареях являются не катионы лития, а анионы фтора. Текущие прототипы работают при высоких температурах, и в данный момент ученые ищут способ снизить температуру работы до комнатной. Автор: Николай Ковшов
«Суммарная энергия замкнутой системы постоянна», – гласит общеизвестный закон. То, что лаконично звучит в теории, оказывается, отнюдь не просто реализовать на практике. Сохранение, а точнее, запасание энергии – сложная инженерная задача, решение которой пока еще имеет немало подводных камней.
Загрузка ...
