Анастасия Пашкевич
©

Что сдерживает технологический прорыв аккумуляторов

Скорее всего, вы читаете эту статью на устройстве, которое зависит от работы батареи. Это может быть ваш смартфон, ноутбук, планшет или другое устройство, потребляющее электричество. И хотя мы живем в эпоху взрывного роста технологических инноваций, многие из наших новых технологий все еще полагаются на те же методы хранения энергии.

Несмотря на поэтапные улучшения, батареи не изменились за последнее десятилетие. Основные бренды, такие как Duracell инвестируют в лучшую экологическую эффективность и небольшие настройки, которые улучшают емкость и производительность, но типичная «батарея» фундаментально остается той же.

Этот застой в сфере аккумуляторов тормозит несколько технологий, которые в противном случае могли бы продвинуться вперед. Так почему же батареи испытывают большие затруднения с прогрессом, что это значит для других технологий, и куда мы движемся?

В чем корень проблемы батарей

На протяжении 1990-х годов на рынке господствовали никель-кадмиевые аккумуляторы, но когда появились литий-ионные батареи, они быстро стали доминирующей моделью. Плотность энергии литий-ионных батарей более чем в два раза превышает стандартный никель-кадмиевый эквивалент, и потенциально может быть еще более высокой. Они ведут себя аналогичным образом и могут работать на одной ячейке, а не их серии, обеспечивая низкий уровень расхода энергии и низкий уровень саморазряда.

Хотя есть некоторые недостатки, в том числе хрупкость и требования к схемам защиты, литий-ионные батареи настолько эффективны, что некоторые даже утверждают, что это идеальный аккумулятор.

В эпоху, когда Закон Мура диктует постоянный прогресс, кажется странным думать, что существует фундаментальный предел для любого технологического роста. Но батареи работают немного по-другому: есть много переменных, которые следует учитывать, так как увеличение в какой-либо одной области происходит с одновременным уменьшением в другой.

Например, у вас может быть батарея с более высоким уровнем мощности (Ватт) или более высоким уровнем энергии (Ватт-часов), но вы не можете улучшить и то, и другое в одной и той же батарее. Суперконденсаторы прекрасно иллюстрируют этот момент: они могут выделять тонны энергии, но только на несколько секунд за раз. Соответственно, многие итеративные достижения улучшают только отдельные параметры, но не технологию в целом.

Что мешает разработке новых аккумуляторных технологий

Источник: The Next Web
Источник: The Next Web

1. Варианты

Кроме литий-ионных батарей, существуют возможности для разработки буквально десятков технологий. В том числе водородных топливных элементов, которые производят чистую энергию и выдают воду в виде отходов, а также биоэлектрохимических батарей, использующих бактерии для ускорения химических реакций.

Проблема в том, что с таким количеством вариантов трудно сказать, какие из них имеют истинный потенциал для долговременной замены, а какие — впечатляющие, но по своей сути незначительные и отвлекающие факторы. Соответственно, исследователи не готовы поставить всё на одну карту.

2. Расходы и финансирование

Еще одна проблема заключается в чистой стоимости разработки батарей следующего поколения. По данным Lux Research, средний стартап батареи привлек всего $40 миллионов финансирования в течение восьми лет.

Это может показаться много, но для большинства технологий требуются сотни миллионов долларов только лишь для хорошего старта и, возможно, миллиарды для полноценного развития. Большинство инвесторов не хотят вкладывать такие деньги в технологию, которая имеет небольшой шанс на успех.

3. Масштаб

Другой проблемой является масштабирование технологии с экспериментального до полностью функционального коммерческого уровня. Перспективная новая технология батареи обычно хорошо выглядит на микроуровне: например, вы можете зафиксировать потенциал емкости нового химического вещества, с которым вы экспериментировали в небольших количествах в лабораторных условиях.

Но к тому времени, когда вы разработаете более крупную версию батареи, что-то может пойти не так: химический процесс может не проходить так же эффективно, либо условия (например, температура или долгосрочность использования) могут быть непригодными для коммерческого внедрения. Это имеет тенденцию отпугивать потенциальных разработчиков и инвесторов.

4. Тестирование, надежность и безопасность

Недавние проблемы с воспламеняющимися литий-ионными батареями иллюстрируют, как мало мы по-прежнему понимаем о полной безопасности продуктов, которые производим. Любые новые технологии батарей должны придерживаться даже более высоких стандартов, чем современные технологии, а это означает, что почти готовой разработке понадобятся еще годы исследований и испытаний.

Из-за этого полноценное развитие любой новой технологии батарей автоматически займет несколько лет или даже десятилетия. И даже тогда ее безопасность для новых технологических решений не будет гарантирована.

Как застой в батареях сказывается на других перспективных технологиях

Возобновляемая энергия

Солнечная энергия чиста и возобновляема, и ее дешевле производить каждый день. Загвоздка в том, что солнце выходит не в 100% случаев: облака и ночное время представляют проблему, если нет эффективного способа хранения избыточной энергии, генерируемой в течение дня. Без эффективного хранения батареей солнечная энергия будет оставаться дорогостоящей и непозволительной для многих применений, и она никогда не сможет стать полной заменой для наших текущих энергетических потребностей.

Смартфоны

Смартфоны используют значительное количество энергии и ежедневно заряжаются. Сегодняшние батареи имеют ожидаемую продолжительность жизни всего в несколько лет, так как существует ограничение на количество полных зарядов, которые может принимать литий-ионный аккумулятор. Если не появится новый тип батарей с продолжительным сроком службы, циклы разработки смартфонов ускорятся, увеличение вычислительной мощности будет приводить к большему потреблению энергии, и это может еще сильнее ухудшить работу батареи.

Электромобили

Электрические автомобили работают намного чище, чем их поглощающие газ коллеги, но даже самые лучшие модели требуют регулярной подзарядки, что раздражает и экономически невыгодно для потребителей. Новая батарея сможет хранить заряд, который позволит автомобилю ездить все быстрее и дольше, но на данный момент этот аспект электрических машин видит только незначительные улучшения.


В ближайшее время большинство крупных производителей батарей, стартапов аккумуляторов и других технических организаций будут продолжать фокусироваться на итерационных усовершенствованиях стандартной модели литий-ионных аккумуляторов. Это не лучшее решение в долгосрочной перспективе, но оно одно из самых безопасных, и, хотя улучшения незначительны, из года в год мы наблюдаем последовательные шажки вперед.

До тех пор, пока достаточное количество инвесторов не начнет финансировать более рискованные проекты и не инвестирует в потенциальные технологические прорывы, которые изменят ход игры, ситуация с аккумуляторами кардинально не изменится.

Источник: The Next Web.