Pamirškite ličio baterijų gaisrus: saugi, sparčiai įkraunama energijos saugojimo alternatyva gali pasitarnauti viskam – nuo išmaniųjų telefonų iki išmaniųjų elektros tinklų

Nevados dykumos fone kyla gigantiškas fabrikas. Pažvelgus į užbaigto pastato vaizdą dailininkų vizualizacijoje, galima supainioti jį su Marso kolonija, jo saulės elementų rikiuotės stirkso iš rausvos žemės. Bet tai yra Gigafabrikas, išsikėtojęs daugiau nei 600 000 kvadratinių metrų plote. Čia elektromobilių gamintoja Tesla Motors planuoja gaminti vienintelį savo automobilių komponentą: akumuliatorių.

Geras įkraunamas elektromobilio akumuliatorius gali palengvinti piniginę maždaug $10 000. Už tai gausite produktą, kuris yra toksiškas, kurio savybės po kelių metų gerokai suprastės ir kuris turi būti atidžiai sukonstruotas, kad būtų išvengta katastrofiško perkaitimo. Gigafabrikas parodo Tesla CEO Elono Musko siekį gaminti geresnius akumuliatorius ir taip realizuoti įperkamų elektromobilių svajonę.

Kitų siekiai panašūs. Dėl neseniai vykusios didžiai nemalonios Samsung istorijos su sprogstančiais jų Galaxy Note 7 išmaniųjų telefonų akumuliatoriais, teko atšaukti visus įrenginius ir nutraukti jų gamybą. „Tai mums kainuos tiek daug, kad net širdį sopa,“ sakė Koh Dong-Jin, Samsung mobiliųjų įrenginių skyriaus direktorius. Geresnės, pigesnės baterijos įrašytos praktiškai visų technologijų, kurios nenaudoja iškastinio kuro, pageidavimų sąrašo viršuje.

Tačiau, kaip atranda Muskas ir kiti, tai žada būti ilgas ir sunkus kelias. Gal yra geresnis būdas? Būtent tai pateikti galintys tvirtina ilgai pamiršto energijos kaupimo ir tiekimo įrenginio tyrėjai. Jų nuomone, jis geriau atitinka energijos tiekimo poreikį – ir taip iš esmės keičia energijos naudojimą. Ar jau metas žvelgti, kas už baterijų?

Įkraunamos baterijos energiją kaupia, vykdydamos grįžtamąsias chemines reakcijas, kai tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo juda jonai. Tinkamos medžiagos, tokios, kaip ličio junginiai, naudojami tiek Tesla, tiek Samsung baterijose, gali sukaupti daug energijos, bet jos lėtai įkraunamos ir iškraunamos, ir tada kaista. Kas būtent sukėlė Note 7 fiasko, dar nėra aišku, tačiau ličio jonų baterijose naudojami plonyčiai baterijos komponentus atskiriantys separatoriai. Jeigu jie būna blogai sukurti ar pažeisti, jie gali savo užduoties nebeatlikti, taip sukurdami trumpąjį jungimą, dėl kurio įkaista ir pažeidžiamos kitos dalys, ir taip kyla grandininė reakcija. Dėl tokių saugumo problemų, ir ličio baterijų brangumo, chemikai seniai dairosi alternatyvos.

Bet chemija nėra vienintelis elektros krūvio kaupimo būdas. Kondensatoriuose energija saugoma fiziškai, elektros lauke tarp metalinių elektrodų. Kondensatoriai yra sprinteriai, palyginus su akumuliatorių stajeriais, įsikrauna ir išsikrauna akimirksniu, ir tai daro vėl ir vėl ir vėl, neprarasdami savybių. Jie jau naudojami energijos kaupimui fotoaparatų blykstėse.

Bet su blykste elektromobiliu toli nenuvažiuosi. Kilograme benzino yra maždaug 4000 vatvalandžių naudingos energijos, 30 kartų daugiau, nei Tesla elektromobiliuose naudojamose baterijose. Tradiciniuose kondensatoriuose sukaupiama dar 1000 kartų mažiau energijos, vos 0,1 Wh/kg. Jeigu automobilis pilnu baku gali nuvažiuoti 500 km, tokioje pat masėje kondensatorių sukauptos energijos geriausiu atveju pakaktų nuvažiuoti iš kiemo į gatvę – kiek daugiau nei 16 metrų.

Taigi, aišku kaip dieną, tradiciniai kondensatoriai su baterijomis konkuruoti niekaip negali. Bet tokia mintis kilo ne vienam – netgi Muskui. „Jei reikėtų prognozuoti, manyčiau, tai galėtų būti ne baterijos, o kondensatoriai“ sukels proveržį, sakė jis 2011. Šiame straipsnyje apžvelgsime nuolatinį kondensatoriaus tobulėjimą.

Ši evoliucija prasidėjo dar 1966 metais, kai Robert Rightmire iš Ohajaus Standard Oil buvo komandoje, svarstančioje kuro kaupimo ateitį. Jis žinojo, kad kondensatoriaus krūvio talpa priklauso nuo elektrodų paviršiaus ploto. Tad, kodėl gi nepadarius jo puresnio, kad būtų galima supakuoti daugiau krūvio? Jis pagamino kondensatorių, kurio elektrodai buvo padengti plonu anglies sluoksniu, kuriame cheminiu būdu buvo išbadyta milijonai mažų skylučių. Tokia, vadinamoji aktyvuota, anglis paprastai naudojama, pavyzdžiui, kofeino pašalinimui iš kavos, ir jos vidinis paviršius ~100 000 didesnis už paviršiaus plotą. Ir šis triukas suveikė. Rightmire'o „superkondensatoriuose“, lyginant su tradiciniais kondensatoriais, tilpo 10 kartų daugiau energijos.

Atsikratykime kokoso riešutų

Dešimtajame dešimtmetyje maži superkondensatoriai tapo komercine realybe. Jie trumpam tiekdavo energiją kompiuteriams, kad šie spėtų saugiai išsijungti, jeigu dingtų maitinimas. Iki elektromobilių maitinimo dar toli. Ilgai niekas pernelyg ir nesikeitė. Viena iš to priežasčių buvo tos purios anglies šaltinis: kokoso riešutai.

„Blogai sukurtos baterijos gali sprogti, bet tai mažiausia jų bėda“

„Tai grynas atsitiktinumas,“ sako Aaron Feaver, Seattle įsikūrusios energijos kaupimo kompanijos EnerG2 vyr. technikas. „Kokosai neevoliucionavo buvimo tobuliausia ultrakondensatorių elektrodų medžiagos tiekėjų kryptimi, bet taip jau nutiko, kad jie tam visai gerai tinka.“ Atlikę lukštai kaitinami iki 600 °C bedeguonėje aplinkoje, taip siekiant atsikratyti visų elementų, išskyrus anglį, kitaip tariant, vykdoma jų pirolizė. Tada anglis apdorojama specialiomis cheminėmis medžiagomis, taip suformuojant mikroskopines poras.

Kokosai buvo toks pigus ir patogus anglies šaltinis, kad kitų galimybių niekas pernelyg daug ir nesvarstė. Dešimtojo dešimtmečio gale superkondensatoriai buvo pervadinti į „ultrakondensatorius“, bet principas liko tas pats.

Ir vis rasdavosi naujų panaudojimo sričių. Kai kurios vėjo turbinų kompanijos naudoja juos kaip avarines baterijų alternatyvas. Turbinų mentės turi nuolat prisitaikyti prie vėjo. Jei elektros tiekimas nutrūksta, mentės privalo greitai grįžti į neutralią poziciją, nes stiprūs vėjo gūsiai gali pažeisti ar net sunaikinti turbiną. Tam reikia trumpo galios pliūpsnio – ultrakondensatoriai tam puikiai tinka. Didelės galios baterijos yra sunkesnės ir galiausiai jas reikia pakeisti. „Kartą ką nors įdėjus į turbiną, visai nesinori vėl kopti ir tai aptarnauti. Norisi tiesiog užmiršti tai,“ sako Kim McGrath iš Maxwell Technologies , gaminančios ultrakondensatorius.

Ultrakondensatorių gebėjimas teikti trumpus galios pliūpsnius naudingas ir kitur. Kinijoje, būriuose hibridinių dyzelinių autobusų yra ultrakondensatoriai, kurie greitai įkraunami iš regeneracinio stabdymo sistemos, o paskui greitina autobusą, kol darbą gali vėl perimti dyzelinis motoras.

Tuo tarpu medžiagų inovacijos siūlo naujus būdus kondensatoriuose sutalpini daugiau energijos. Šio amžiaus pirmojo dešimtmečio viduryje Joel Schindall, John Kassakian ir Riccardo Signorelli iš MIT pradėjo tyrinėti, ar kiti anglies tipai galėtų tikti geriau už gaunamą iš kokoso riešutų kevalų. Taip jau nutiko, kad gretimoje laboratorijoje darbavosi Mildred Dresselhaus, dar vadinama „anglies mokslų karaliene“ dėl jos darbų šioje srityje. Ji padėjo trijulei pagaminti anglies nanovamzdelių – grynos anglies cilindrų, 10 000 kartų plonesnių už žmogaus plauką – mišką, kurio vieno gramo paviršiaus plotas buvo didesnis nei 2000 kvadratinių metrų.

Nanovamzdelių ultrakondensatoriai buvo sėkmė, didžia dalimi dėl John Cooley (irgi iš MIT) įkurtos firmos FastCap Systems. FastCap pagamino superkondensatorius, kurie tieks energiją NASA misijoms į Venerą ir tolimąjį kosmosą. Geriausias firmos modelis gali sukaupti krūvį, atitinkantį 10% Tesla baterijos, maždaug dvigubai daugiau, nei kitas pagal gerumą komercinis produktas.

Komentarai (4)