Аккумуляторы научили заряжаться за минуту

Американские ученые создали аккумуляторы, которые можно полностью зарядить всего за несколько секунд. Это открытие грозит подлинным переворотом в индустрии мобильных устройств и производстве скоростных электромобилей.

Электромобили – будущее автопрома

Ученые из МТИ утверждают, что благодаря нанотехнологиям в будущем аккумуляторы электромобилей будут заряжаться всего за пять минут!

Исследователи из Массачусетского Технологического Института (MIT) Байунгво Кэнг (Byoungwoo Kang) и Гербрэнд Сидер (Gerbrand Ceder) разработали батарею нового типа, способную заряжаться почти в 100 раз быстрее традиционных ионно-литиевых батарей. 

Как ни удивительно звучит, но на базе таких батареек аккумулятор электромобиля может быть заряжен всего за пять минут (в отличие от «нормальных» 8 часов), а мобильный телефон – всего за 10 секунд!

Как говорит Сидер, полученная батарея не только быстро заряжаемая, но и более легкая и долговечная: ее можно непрерывно использовать в течение 2–3 лет.

«Способность заряжать и разряжать батарейки за несколько секунд, а не часов, положит начало новой технической эре и изменит наш образ жизни», – говорит доктор Гербрэнд Сидер.

Как сообщают ученые, новая технология позволит в скором времени обеспечить революционными батарейками и электрические автомобили, сделав большой вклад в защиту окружающей среды. Зарядка новых батарей, в отличие от существующих, займет примерно столько же времени, сколько нужно, чтобы заправить машину бензином.

Современные литий-ионные аккумуляторы характеризируются высокой энергетической плотностью, но низким энергопотреблением, из-за чего процесс их зарядки растягивается на несколько часов. Использование нанотехнологий позволило ученым изготовить из фосфата лития аккумуляторы, которые по сравнению с современными имеют большую емкость, больший ресурс, а самое главное — для их зарядки требуются считанные секунды. 

К примеру, для того чтобы зарядить аккумулятор мобильного телефона, изготовленный по новой технологии, потребуется всего 10-20 секунд. Немаловажно также, что такие аккумуляторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда/разряда.

Учёные из Массачусетского Технологического института
использовали в своей работе нанотехнологии. Как рассказали сами исследователи, они изменили начинку обычного аккумулятора, сформировав ее в виде наногранул, промежутки между которыми заполнили проводником на основе широко применяющегося в батарейках фосфата лития.
Получившийся в результате наноаккумулятор, обеспечивающий работу ноутбука, полностью заряжается за минуту.

«Насколько я знаю, это является самым быстрым циклом зарядки для подобного материала» , – прокомментировал открытие химик Питер Брюс из британского университета Сент-Андрюса.

Примечательно, что авторы открытия так и не смогли точноNature. 
объяснить, каким образом примененная ими технология ускоряет передачу электричества внутри аккумулятора, сообщает журнал
Одно из возможных объяснений такое:

Учёные использовали наноразмерные частицы фосфата лития, названные ими «наношариками» («наногранулами») для изготовления катода. При зарядке батареи «наногранулы» выпускают ионы лития, которые перемещаются к аноду. При разрядке начинается обратный процесс – ионы возвращаются на свое место. Повышенная мобильность ионов и возможность их быстрой абсорбции «наногранулами» позволяют радикально сократить время зарядки устройства, никак не отражаясь на продолжительности работы и надежности батареи.

Им удалось установить также, что наноаккумулятор может не только быстро заряжаться, но и также быстро разряжаться, выдавая непривычно высокую для таких устройств мощность.

По мнению экспертов, свойства новых аккумуляторов позволят, наконец, ликвидировать последнее препятствие на пути создания электромобиля, сравнимого по скоростным характеристикам с обычной машиной. Дело в том, что низкая мощность традиционных аккумуляторов пока не позволяет электромобилям резко набирать скорость в случае необходимости. Теперь это препятствие может быть устранено.

Ученые утверждают, что созданные ими аккумуляторы можно использовать в любых мобильных устройствах, включая и электромобили. Технология уже лицензирована двумя неизвестными компаниями. Ожидается, что коммерческие продукты могут появиться на рынке уже через 2—3 года.

История вопроса

Уже пару лет назад японцы представили концепт городского электромобиля с быстрой зарядкой
Полностью электрический автомобильчик «на каждый день» может оказаться довольно дорогим, из-за литиевых батарей новейшего типа, но зато его эксплуатация будет стоить копейки

Японские компании Fuji Heavy Industries и TEPCO, как и обещали менее года назад, построили прототип перспективного компактного электромобиля для мегаполисов.

Машинка оснащена 40-киловаттным электромотором и может разгоняться до 100 километров в час. Особая гордость проекта — 346-вольтовый блок литий-ионных батарей, созданных компанией NEC/Tokin.

Батареи не вполне обычные. В качестве материала для катода японцы применили литий-марганцевую шпинель (LiMn2O4). Кристаллическая структура этого материала придаёт батарее термическую стойкость и высокую сопротивляемость излишнему заряду.

Запас хода авто на одной зарядке составляет 80 километров. Специально разработанное зарядное устройство позволяет «заправить» севший аккумулятор на 80% от номинала всего за 15 минут.

В ближайшее время TEPCO проведёт испытания 40 таких электромобилей, а в 2009-м Fuji Heavy Industries планирует поставить их на конвейер.

Интересно, что сама TEPCO намерена постепенно перевести часть своего собственного автопарка на электрических малюток (при условии, что они выдержат тесты), так что к 2012 году в парке фирмы должно эксплуатироваться 3 тысячи таких машин.

Литиево-железофосфатные батареи (Lithium iron phosphate battery) всё больше и больше находят применение в первую очередь в электромобилях и гибридах. Их преимущество – пожарная безопасность и более низкая цена, чем у литиевых батарей других подвидов. Недостаток — несколько меньший запас энергии на кило веса, чем в батареях с применением оксида кобальта (такие господствуют в портативной электронике — ноутбуках и телефонах), и не самый рекордный темп зарядки.

Последнее для автомобиля весьма небезразлично (как и вес): представьте себе электрокар, дальность хода которого равна таковому запасу у обычного бензинового авто, но который надо заряжать 3-8 часов. Не очень удобно.

Седер нашёл способ повысить темп зарядки такого типа аккумуляторов в 100 раз. А пришёл он к нему так.

Катод литиево-железофосфатной батареи содержит сонм наночастиц LiFePO4 — это материал, обеспечивающий ячейкам их высокую безопасность. Ключевой же проблемой быстрой зарядки (и симметричного процесса — отдачи батареи, то есть её выходной мощности) является транспорт ионов лития, которые выпускаются или поглощаются катодом.

Ранее учёные предполагали, что загвоздка в медленном движении ионов внутри частиц катода. Но компьютерное моделирование, проведённое Гербрандом, показало, что скорость движения ионов внутри LiFePO4 — высока.

Новый материал для катода (тёмная часть), покрытый стекловидным проводником ионов (светлая область), при сильном увеличении

А загвоздка в другом — ионы не сразу находят «входы в туннели» (или ионные каналы), ведущие внутрь фосфатных наночастиц. Иными словами, мы имеем город с большим числом улиц, но вокруг него нет кольцевой автодороги, которая помогала бы подъезжающим извне машинам быстро их заполнять со всех сторон.

Теперь же такая «автотрасса» построена. Оказалось, что темп транспорта ионов можно поднять едва ли не на два порядка, если покрыть каждую частицу LiFePO4 тонким слоем стекловидного материала из фосфата лития.

Литиево-железофосфатный электрод под микроскопом демонстрирует гранулированную структуру

Построив небольшую батарейку по такому принципу, специалисты MIT увидели, что она может полностью зарядиться или отдать весь свой заряд всего за 9 секунд, что в 30 с лишним раз быстрее, чем у лучших железофосфатных батарей без покрытия (той же ёмкости, конечно), и в 100 раз быстрее, чем у массовых литиевых аккумуляторов.

Авторы новации утверждают, что литиево-железофосфатные аккумуляторы, выполненные по новой технологии, могут достичь удельной мощности в 25 киловатт на литр, что окажется особенно ценным именно в области транспорта. Ну и при наличии зарядных станций, выдающих большой ток, становится реальной заправка электрического авто за время, необходимое, чтобы обычной машине залить полный бак бензина.

Дальнейшая судьба изобретения выглядит довольно светлой: Гербранд и соавторы исследования уже выдали лицензию на эту технологию двум компаниям, намеренным заняться её коммерциализацией. (Детали открытия — в статье в Nature, а также в новости от этого же издания и пресс-релизе MIT).

Заметим, учёные и инженеры не один год работают над повышением скорости зарядки литиевых аккумуляторов самого разного «калибра» — от крохотных, для портативной электроники, до автомобильных тяговых батарей. И мы уже видели многообещающие примеры: японские мини-батарейку, заправляющуюся на 80% за 60 секунд, и прототип электромобиля, заряжаемого за 15 минут.

Но всё это должно быть ещё и недорогим и массовым. У железофосфатной технологии есть все шансы стать таковой. Собственно самый масштабный всемирный «электромобилепроект» — Better Place — использует именно этот тип батарей.

Прорывом с совсем другой стороны могли бы оказаться экзотические батареи EESU, обещающие превзойти все ныне существующие серийные аккумуляторы (даже литиевые) по удельной ёмкости вкупе с зарядкой в несколько минут. Вот только технология эта уже не один год никак не выберется из стадии «доводим и готовим к массовому выпуску».