Entry tags:

Революционный концепт Quant e-Sportlimousine

Ключевой особенностью инновационного концепта Quant e-Sportlimousine является силовая установка с потоковой батареей. Разгон с 0 до 100 км/ч занимает 2,8 с, а запас хода достигает 600 км. Автомобиль приводится в движение «солёной водой».

Революционный концепт Quant e-Sportlimousine

©nanoFLOWCELL

Электромобиль Quant e-Sportlimousine, представленный на Женевском автосалоне компанией nanoFLOWCELL, приводится в движение «солёной водой». Ключевой особенностью инновационного концепта Quant e-Sportlimousine является силовая установка с потоковой батареей с напряжением 600 В, которая компания разрабатывает совместно с Bosch: nanoFLOWCELL отвечает за технологию, а Bosch – за её внедрение в автомобиль. В источнике питания объединены преимущества традиционных электрохимических аккумуляторов и топливных ячеек. Система гарантирует высокую эффективность и не требует длительной подзарядки.

^{©nanoFLOWCELL}

Агрегат Quant e-Sportlimousine работает следующим образом. В задней части машины находятся два независимых резервуара ёмкостью 200 литров. Они предназначены для электролитов. Несмотря на то, что состав жидкостей не раскрывается, тем не менее, nanoFLOWCELL называет их «солёной водой». С помощью насосов электролиты подаются в камеру со специальной тонкой ионообменной мембраной. Таким образом генерируется электричество.

Энергия подаётся на суперконденсаторы, которые могут очень быстро отдавать заряд, что и обеспечивает «потрясающую динамику разгона». Отработанный электролит можно заменить новым. Помимо этого после перезарядки его можно использовать повторно.

Машина оснащена четырьмя трёхфазными электродвигателями, которые в пике выдают 912 л.с. Постоянная мощность равна 640 л.с. Разгон с 0 до 100 км/ч занимает 2,8 с, максимальная скорость – 380 км/ч, а поскольку силовая установка функционирует с внутренней эффективностью в 80%, запас хода достигает от 400 до 600 км.

^{©nanoFLOWCELL}

Электромобиль, длина которого составляет около 5,3 м, ширина – 2,2 м, высота – 1,35 м, весит 2 300 кг.

Четырехместный салон, выполненный в футуристическом стиле, оснащен дисплеями и оригинальными органами управления.

^{©nanoFLOWCELL}

Сам концепт Quant e-Sportlimousine соответствует европейским требованиям, но для использования потоковой батареи на дорогах общего назначения она должна получить одобрение. Ожидается, что к 2015-2016 годам процедура стандартизации будет завершена.

Entry tags:

Небольшой дайджест.

TESLA УДЕШЕВИТ БАТАРЕИ

Компания Элона Маска планирует значительно сократить стоимость литий-ионных батарей для электромобилей. Проект Gigafactory, анонсированный Tesla Motors, предусматривает наращивание производства таких аккумуляторов до 500 тыс. единиц к 2020 году, что, по расчетам компании, снизит их стоимость на 30%.
________________________________________________________________________________________________________

ВЕТРЯКИ ПРОТИВ УРАГАНОВ

Ученые из Стэнфорда считают, что прибрежные ветряные электростанции способны рассеивать бури еще на этапе их формирования.

Конечно, в схватке между ветряком и настоящим ураганом выигрывает последний, но ведь ветряки предназначены для получения энергии из ветра, так почему бы не забрать столько энергии, чтобы предотвратить ураган?

Исследователи считают, что ветряные турбины, расположенные на воде определенным образом, могут выполнять функцию «воздушных волнорезов», поглощая и перенаправляя воздушные потоки, не давая им набрать силу.

В Америке, которая регулярно страдает от разрушительных ураганов, нет ни одной функционирующей морской ветряной электростанции, в то время, как в Европе этот вид добычи энергии набирает популярность и количество ветряных турбин, размещенных на воде уже достигло полумиллиона.

По информации gizmodo.com
_________________________________________________________________________________________________________

PEUGEOT ПОДТВЕРДИЛА ЗАПУСК ВОЗДУШНЫХ ГИБРИДОВ В СЕРИЮ

Бензиново-воздушный привод Hybrid Air дебютирует на Peugeot 2008 в 2016 году. После этого он начнет использоваться также на коммерческих автомобилях сегментов В и С марок Peugeot и Citroën. По аналогии с бензиново-электрическим приводом, автомобили, использующие эту систему, смогут работать на одном только сжатом воздухе в течение очень короткого периода времени, затем будет автоматически подключаться бензиновый мотор.

Ранее альянс PSA Peugeot-Citroën заявлял о готовности производить автомобили с Hybrid Air начиная с 2015 года. Одним из достоинств технологии является ее высокая экологичность: небольшой автомобиль размером с Citroen C3 или Peugeot 208 будет выделять в атмосферу всего 69 г углекислого газа на километр.

______________________________________________________________________________________________________

АСФАЛЬТ ИЗ ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ

Американские инженеры придумали необычный способ переработки использованного кулинарного жира.

Похоже, что пищевые отходы становятся полезным сырьем.Многие слышали про биогазовые ректоры, которые вырабатывают тепло из остатков, производимых сыродельнями, а теперь и использованному кулинарному жиру нашлось применение. В то время как рестораны и различные пищевые производства ежедневно сливают из фритюрниц огромное количество загрязненного растительного и животного масла, в университете штата Вашингтон нашли способ превращать его в асфальт.

Как утверждает инженер Хайфан Вэн, стоимость такого материала гораздо ниже, чем у традиционного асфальта – около 200 долларов за тонну. Впрочем, предстоит еще проверить, насколько это покрытие надежно и долговечно, для этого к концу лета планируется построить небольшой отрезок дороги, который и послужит тестовым полигоном. Надо отметить, что это не первое предложение такого рода – в Айове, например, представили метод изготовления дорожного покрытия с использованием отходов спиртового производства, а в Северной Каролине – из навоза.

По информации gizmodo.com

______________________________________________________________________________________________________

Entry tags:

«Квантовые батареи» готовы к массовому производству!

Некая японская компания вдруг заявила, что втихую разработала и подготовила к серийному производству слоистую батарею совершенно нового типа, и это не химический источник тока и не конденсатор. Тем не менее разработка способна накапливать и хранить энергию много лучше традиционных аккумуляторов.

Авторы называют батарею «квантовой», подчёркивая её физическую, а не химическую природу.

Одиночная ячейка, уже демонстрировавшаяся разработчиками, представляет собой плёнку из металл-оксид-полупроводниковой структуры n-типа, в которой используются частицы диоксида титана, диоксида олова и оксида цинка, покрытые изолирующей плёнкой.

В роли последней могут выступать как органические, так и неорганические изоляторы.

Рис. 1. Образец нового квантового накопителя энергии в виде тонкой одиночной пластинки (здесь и ниже иллюстрации Tech-On!).

Вместо использования для хранения энергии ионов (как в батарейке вашего телефона), слоистая «квантовая батарея» эксплуатирует электроны, только совсем не так, как конденсаторы. Утверждается, что система основана на хранении электронов «в запрещённой зоне» полупроводника.

При производстве структур «металл — оксид — полупроводник» зарядовый слой накопителя облучают ультрафиолетом неназванных параметров. После изготовления, при зарядке, которую можно осуществлять из любых источников, включая пальчиковые батарейки, электроны занимают свободные энергические уровни в рабочем материале и хранятся там до тех пор, пока батарею не потребуется разрядить.

Таким образом,перед нами перезаряжаемые батареи с очень высокой плотностью хранения энергии.

По заявлению компании Micronics Japan Co. Ltd., серийные образцы (обещанные в ближайшем будущем) будут иметь ёмкость до 500 Вт•ч/л и при этом смогут выдавать до 8 000 Вт пиковой мощности на литр объёма.

Это не просто высокие, а выдающиеся показатели: такие накопители даже при малой ёмкости смогут выдавать большую пиковую мощность, объединяя лучшие черты аккумуляторов и суперконденсаторов. То есть в теории регенеративное торможение с ними удастся использовать много эффективнее, чем в сегодняшних электромобилях и гибридах.

При этом, в отличие от суперконденсаторов, напряжение, снимаемое с таких накопителей, не уменьшается по мере их разрядки, до конца оставаясь стабильным (см. на скорость вращения вентилятора):

Кроме того, заявлено, что «квантовая батарея» сможет работать в диапазоне от –25 до +85 °C, а её жизненный цикл достигает 100 тыс. циклов зарядки-разрядки до падения ёмкости ниже 90% от первоначальной. В отличие от прежних вариантов «квантовых батарей», новинка не использует «непростые» и дорогие материалы типа графена, а потому «полностью готова к массовому производству».

Заметим, впрочем, что в демонстрации нового накопителя использовался лишь один аккумулирующий лист — на подложке из нержавеющей стали толщиной 10 мкм, то есть возможность объединять такие накапливающие элементы в масштабные группы пока лишь предстоит доказать.

Кроме того, разработчики намерены потратить некоторое время на замену стали алюминием, чтобы уменьшить удельную массу новинки.

Рис. 2. Пластинки такого типа могут быть выполнены и на относительно гибкой подложке.

Безусловно, у концепции в том виде, в котором её анонсирует Micronics Japan, налицо несколько несомненных плюсов. В частности,

нехимическая батарея явно не будет пожароопасной.

Определённо, способность быстро выдавать и забирать из сети большое количество энергии резко ускорит зарядку таких накопителей.

Сама за себя говорит и высокая ёмкость «квантовой батареи»: если производитель сдержит своё слово, она позволит наконец-то довести смартфоны до семидневной рабочей недели между подзарядками и, скажем, почти утроить дальность нынешних электроавто!

Новинка выставляется с 26 по 28 февраля на Японской выставке накопителей, проходящей в Токио. http://www.batteryjapan.jp/en/Home/

http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20140224/335902/

Entry tags:

Самозаряжающаяся батарейка достигла рекордной ёмкости

Пока ею можно запитывать лишь автономные сенсорные системы и калькуляторы, но создатели нового аккумулятора уверяют, что вскоре дотянутся и до активно разрабатываемых сейчас гибких мобильных телефонов.

Группа исследователей во главе с Чжунлинь Ваном (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии (США) создала самозаряжающую батарею, не требующую для возобновления заряда подключения к розетке.

Новинка заряжается после приложения механического нажатия, заставляющего ионы лития мигрировать от катода к аноду в силу пьезоэлектрического эффекта. Чтобы повысить эффективность прототипа, исследователи добавили в его пьезоэлектрический материал наночастицы, усиливающие соответствующий эффект, и добились существенного увеличения ёмкости и скорости подзарядки устройства.

Схема строения плёнки из поливинилиденфторида и цирконат-титаната свинца (a-c), её снимок (d) и её размещение под кнопками калькулятора (e). (Здесь и ниже иллюстрации Zhang, et al.)

При толщине в несколько сот микрометров батарейка легко помещается в обычном круглом формфакторе, поэтому её подзарядка не представляет особых сложностей. Помещая свою разработку под запитываемое устройство, к примеру, калькулятор, исследователи обеспечили работоспособность батарейки просто за счёт эксплуатации энергии нажатия (при работе с кнопками). И электронное устройство могло работать целые сутки.

«Самовосполняемые батарейки, заряжаемые механической деформацией или вибрацией от воздействий окружающей среды, могут применяться в различных автономных сенсорных системах, а также в гибкой и портативной электронике, скажем, в гибких мобильных телефонах и системах мониторинга состояния здоровья человека», — считает г-н Ван.

Ключевая особенность батареи — замена полиэтиленового разделителя между двумя электродами литиевой батареи пьезоэлектрической плёнкой из поливинилиденфторида, в которую добавлены наночастицы пьезоэлектрика ЦТС (цирконат-титанат свинца). Сейчас ёмкость батареи размером со стандартную «таблетку» для матплат выросла с начальных 0,004 до 0,010 мА·ч, при этом существенно увеличилась скорость её зарядки.

Конечно, обычная электроника будет «сопротивляться» внедрению этого изобретения — если только не компоновать множество таких устройств в одну группу. А вот гибкие мобильные телефоны будущего будут постоянно испытывать небольшие деформации, уверены разработчики. Тут новые батареи и пригодятся, потому что смогут постоянно пополнять свой энергозапас даже при ходьбе, не говоря уже об интенсивной эксплуатации тачскрина или кнопок. Впрочем, поначалу функция таких устройств будет скорее вспомогательной, так как их ёмкость пока недостаточна для длительного поддержания смартфона в состоянии покоя.

Самозаряжающаяся батарейка до (а) и после нажатия (b).

Дальнейшее повышение эффективности опытной батарейки, как нам обещают, не за горами: исследователи уверены, что, сумев увеличить её ёмкость в два с половиной раза всего за год разработки, они в кратчайшие сроки добьются нужных результатов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nanotechnology.

Подготовлено по материалам Phys.Org. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Александр Березин

Entry tags:

Батарейка размером с зерно риса, показала рекордную ёмкость

Очень часто заряд батареи, нужной для тех или иных научных целей, просто не получается уместить в требуемый объём. И это проблема: даже слежение за обычным лососем в воде становится крайне сложным, ибо при прохождении порогов любой наружный прибор может разбиться. В идеале он должен быть внутри организма, но как его туда поместить?

Электроника нужной миниатюрности — давно не проблема, чего не скажешь об аккумуляторах. Чтобы изменить положение, Цзе Сяо (Jie Xiao) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) совместила катод из фторида углерода и анод из лития и затем соединила их ламинированием в очень тонкую «скатку». Получилось что-то вроде цилиндрического «ролла» малого диаметра.

Новая батарея на фоне рисовых зёрнышек (здесь и ниже фото PNNL).

Ну а чтобы иметь максимально высокую внутреннюю площадь батареи (а именно её нехватка не позволяла пиковой мощности микроаккумулятора быть большой), исследовательница свернула слоёную пластину много раз — оборачивая внешние слои вокруг внутренних.

При этом полное внутренне сопротивление батареи за счёт большой рабочей поверхности удалось удержать в разумных пределах. Обычно высокое полное сопротивление является результатом «заторов» в движении электронов внутри батареи, и чем меньше аккумулятор, тем оно выше. Именно поэтому создать маленькие накопители с удельной ёмкостью больших считается почти невозможным.

В данном же случае — за счёт создания аккумулирующего «ролла» — электроны двигались сравнительно свободно, и, несмотря на очень малые размеры, ёмкость на единицу объёма поднялась вдвое выше, чем у устройств-аналогов.

В итоге аккумулятор весит какие-то 70 мг, то есть он в два раза легче нынешних батарей, используемых для подпитки акустических меток, которые применяются биологами для отслеживания той же рыбы. 6-миллиметровая длина и 3-миллиметровая ширина позволяют изделию легко «проникать» в организм не только взрослой рыбы, но и молоди, что раньше и вовсе было недоступно, а ёмкость в 240 Вт•ч/кг (выше, чем у больших литиевых!) даёт возможность долгое время держать метку активной и хорошо различимой даже в окрестностях больших плотин, где звуки турбин обычно мешают «услышать» рыбу.

Акустическая метка с новой микробатарейкой может посылать стандартный сигнал длиной в 744 мс каждые три секунды в течение трёх недель — или же каждые пять секунд на протяжении месяца.

Цзе Сяо со своей супербатарейкой.

Использование фторида углерода позволяет батарее не терять ёмкость даже в очень холодной воде, которую предпочитают лососи, что опять же настоящая находка для ихтиологов, и не только.

Устойчивые к холоду микробатарейки высокой ёмкости могут пригодиться во множестве приложений — от бытовой электроники до малозаметной следящей аппаратуры. Технология уже запатентована.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Scientific Reports (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Александр Березин

Entry tags:

СЖИЖЕННЫЙ ВОЗДУХ БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В Великобритании будет построена промышленная станция хранения энергии, работающая на сжиженном воздухе.

На прошлой неделе британская компания Highview Power Storage объявила о том, что Министерство энергетики и изменения климата Великобритании предоставило ей грант в размере £8 на строительство гигантского «аккумулятора», работающего на сжиженном воздухе. Highview Power Storage уже эксплуатирует подобную экспериментальную станцию, однако в промышленных масштабах с помощью жидкого воздуха можно будет запасти достаточно энергии, чтобы в течение трех часов станция могла выдавать мощность 5 МВт.

Технология, используемая Highview Power, во многом напоминает аккумулирование энергии путем закачки в резервуары сжатого воздуха, однако в данном случае воздух не просто сжимается, а охлаждается и переходит в жидкое состояние. Сжиженный воздух хранится в специальных сосудах при температуре около -200°С, а при необходимости его испаряют, получив газ под высоким давлением, который вращает турбину электрогенератора.
Одно из преимуществ такого подхода – использование распространённого и коммерчески доступного оборудования, которое широко применяется и в других отраслях. Стоимость хранения одного киловатт-часа электроэнергии оценивается в £533, однако на крупномасштабном предприятии может быть снижена до £500 и меньше. Тем не менее, Highview Power сталкивается с жесткой конкуренцией со стороны производителей аккумуляторных батарей, которые рассчитывают снизить стоимость хранения энергии.
По сообщению IEEE Spectum

Entry tags:

День рождения Алессандро Вольты. Пять «батареек» для завтрашних технологий

18 февраля 1745 года в итальянском городишке Комо родился Алессандро Джузеппе Атонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта — будущий изобретатель первого химического источника электрического тока.

Заинтересовавшись исследованиями «животного электричества» Гальвани, Алессандро Вольта проделывает множество экспериментов, результатом которых в конечном итоге становится его знаменитый «вольтов столб» — электрическая батарейка. А самую первую свою батарею Вольта назвал «короной из чашек»: несколько чашек, заполненных подогретым раствором соли, он поставил по кругу. В каждую из них опустил пластинки из разных металлов. Пластинки соседних чашек были соединены медными проводками… Но это было очень непрактично. И вот в 1799 году в лаборатории Вольта рождается, говоря сегодняшним языком, чрезвычайно технологичная и надёжная конструкция источника постоянного электрического тока — «вольтов столб».

Вот как он сам описывает своё изобретение: «Я кладу на стол или на какую-нибудь опору одну из металлических пластинок, например серебряную, и на неё цинковую и затем мокрый диск и т. д. в том же порядке. Всегда цинк должен следовать за серебром или наоборот, в зависимости от расположения их в первой паре, и каждая пара перекладывается мокрым диском. Таким образом я складываю из этих этажей столб такой высоты, который может держаться, не обрушиваясь». Были испытаны самые разные сочетания металлов, и оказалось, что лучше всего «работают» кружки из меди и цинка, между которыми помещена картонная прокладка, пропитанная калиевой щёлочью.

Забавно: одними из первых потребителей «вольтова столба», создававшего напряжение в 60–70 В, стали врачи, лечившие своих пациентов разрядами электрических скатов. Скаты были в дефиците, а желающих пройти процедуру — хоть отбавляй. Известно, что в Англии за один удар током пациенты платили от 2 до 12 шиллингов. Ясное дело, «вольтов столб» пошёл на ура… Кстати, когда в 1801 году Вольт приехал в Париж для демонстрации Наполеону Бонапарту своих электрических опытов, его главное изобретение так и называлось — «искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската». Демонстрация опытов привела Наполеона в восторг. Он распорядился отчеканить в честь Вольты медаль, учредить премию в 80 тыс. экю, а позднее удостоил графского титула и сделал его членом Королевского сената Италии.

В каком-то смысле Алессандро Вольта можно сравнить со скалолазом, который, где-то там, на вершине, столкнул вниз камешек, вызвавший грандиозную лавину. Лавину открытий, изобретений, технологий, которые стали возможными благодаря простому обстоятельству: в руках исследователей электричества появился надёжный источник… электричества. Всё остальное, как говорится, дело таланта и техники. Сегодня, в день рождения Алессандро Вольты, давайте посмотрим, чем заняты нынешние продолжатели его дела, 269 лет спустя.

1. Мельчайшая батарейка
Эта разработка группы исследователей Национальной лаборатории «Сандиа» (США) под руководством Цзяньюй Хуана (на фото ниже) пока не рассматривается в качестве прототипа какого-либо продукта, однако позволяет составить представление о возможных плотностях энергии, накапливаемой в литиевых аккумуляторах.

Самая маленькая из ныне существующих литий-ионных аккумуляторных батарей была изготовлена на базе нановолокна из оксида олова (катод) и оксида кобальта (анод). С помощью просвечивающего электронного микроскопа Центра нанотехнологий Министерства энергетики США исследователи смогли в реальном времени наблюдать процессы внедрения ионов лития в кристаллическую решётку наноэлектрода и убедиться, что нановолокна способны не разрушаясь многократно выдерживать колоссальные механические напряжения (более 10 ГПа) во время насыщения литием. Самый маленький в мире аккумулятор-проволочка имеет длину 10 мкм и диаметр 100 нм. Рабочее напряжение — 3,5 В при токе порядка единиц пикоампер.

2. Печатное издание аккумулятора
«Напечатать» на 3D-принтере крохотный литий-ионный аккумулятор размерами менее 1 мм сумела недавно группа исследователей из Гарвардского и Иллинойсского университетов. Специальная печатающая головка с отверстием диаметром 30 мкм формировала слои электродов со скоростью 1 миллиметр в секунду.

Катод аккумулятора представляет собой литированный фосфат железа, анод — титанат лития. В ходе экспериментов был изготовлен работоспособный образец аккумулятора, помещённый в пластиковый корпус, содержащий крошечную каплю электролита (на фото внизу).

3. Чистая органика…
От самых маленьких аккумуляторов перейдём теперь к гигантским конструкциям новейших так называемых проточных аккумуляторов (на фото ниже — одно из таких устройств), призванных стать накопителями энергии, которая вырабатывается солнечными станциями, ветрогенераторами и электростанциями, использующими энергию океанских приливов. Главной идеей этого типа аккумуляторов является хранение энергии не в электродах, а в электролите, что открывает принципиальную возможность создавать хранилища энергии практически любой ёмкости.

Самые последние новости из области этих технологий связаны с созданием проточных аккумуляторов, в которых используются электрохимические реакции в среде органических соединений. Совсем недавно группа учёных Гарвардского университета под руководством Майкла Азиза запустила в работу проточный аккумулятор на основе водного раствора хинонов (исследователи шутят: эти вещества сродни тем, которыми так богато растение ревень).

Главным преимуществом новой конструкции органического аккумулятора перед существующими является значительное снижение удельной стоимости. Если традиционные «проточники» на неорганическом электролите имеют стоимость около $700 за кВт•ч, то новый гарвардский аккумулятор оценивается всего в $27.

4. Стартапы наступают…
Только за прошлый год на цели создания новых типов химических источников тока более десятка стартапов в США получили финансирование в сумме более $1,5 млн «на брата». Над чем они работают сейчас? Ну, вот, например…

Стартап Ambri профессора Массачусетского технологического института Дона Садовея развивает направление, в рамках которого планируется создать новый тип аккумулятора, где используются электроды из жидкого металла и расплавленный солевой электролит.

Компания Imprint Energy вовсю трудится над созданием ультратонких, гибких, как бумага, аккумуляторов, изготавливаемых по технологии трафаретной печати. В этих приборах вместо лития будет использоваться цинк. Основными потребителями новых аккумуляторов, как сообщается, будут носимые медицинские приборы. На фото ниже — более «толстый» аналог этой разработки от компании Apple.

Финансируемый американской программой ARPA-E стартап Pellion нацелился на тотальный перебор всех возможных материалов катода аккумулятора, способных работать с магниевым анодом. С этой целью создана специальная компьютерная программа моделирования, которая должна проанализировать более 10 тысяч возможных электрохимических пар.

Компания Prieto Battery, созданная профессором Эйми Прието, намерена в течение ближайших полутора лет выпустить новый литий-ионный аккумулятор на основе медных нанопроводов (анод) и твёрдого полимерного электролита, который будет способен заряжаться за 5 минут, имея ёмкость в 5 раз выше нынешних.

5.И запах серы…
Аккумулятор рекордной энергоёмкости на базе необычной электрохимической пары «литий — сера» создали в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли. Если обычная литий-ионная батарея обладает удельной ёмкостью около 200 Вт•ч/кг, то у нового литий-серного аккумулятора этот показатель достигает 350–400 Вт•ч/кг. В случае использования этой батареи в электромобиле, дальность пробега его составит примерно 450–500 км без подзарядки (против 180–250 км на литий-ионной той же массы).

Новая батарея, кроме того, способна выдержать около 1 500 циклов заряда-разряда, что в 1,5 раза выше, чем у литий-ионных. Столь замечательные характеристики достигнуты, в числе прочего, за счёт применения нового композитного анода на базе связки графен — сера.

Entry tags:

Аккумуляторы будущего изготавливают из ревеня

Исследователи из Гарварда создали новый вид аккумулятора, в котором используется электрохимическая реакция между органическими соединениями вместо металлов. Эта многообещающая технология позволяет надеяться в скором времени на решение проблемы создания дешёвого и высокоэффективного аккумулятора. По словам изобретателей, в их разработке используются хиноны, органические соединения, идентичные тем, что содержатся в ревене

Стоимость добычи хинонов низка, их можно вырабатывать из растений или синтезировать из нефти-сырца. В отличие от батарей с цельным электродом, проточные батареи содержат два химических компонента в виде растворов в отдельных резервуарах. В аккумуляторе гарвардцев используется водный раствор хинонов, что делает его пожаробезопасным. Эти гидрохиноны могут выполнять ту же функцию, что и металлические электрокатализаторы, например, платиновые.

Проточные аккумуляторы хорошо приспособлены для хранения большого объёма энергии, но их главным недостатком является высокая стоимость. По оценкам изобретателей из Гарварда, традиционные проточные батареи имеют стоимость около 700$/кВт*час, в то время как их новинка может понизить стоимость до 27$/кВт*час. Разработчики утверждают, что их аккумулятор сейчас имеет эффективность не хуже большинства современных проточных аккумуляторов на основе ванадия.

По словам одного из разработчиков, Роя Гордона (Roy G. Gordon) использование хинонов может стать прорывной технологией в сфере перезаряжаемых источников энергии.

«Весь мир использует аккумуляторы с ионами металлов в разных состояниях. Но эта технология имеет ряд ограничений и недостатков, в частности низкую ёмкость и высокую стоимость. Предложенные нами органические молекулы открывают огромные возможности.»

Майкл Азиз (Michael J. Aziz), ведущий разработчик, считает, что широкое использование органических проточных аккумуляторов в связке с возобновляемыми источниками энергии (солнечной, ветряной) поможет существенно понизить зависимость человечества от ископаемых источников энергии.

«Проблемой возобновляемых источников является их непостоянство во времени, и это важнейшее препятствие на пути к их широкому внедрению. Я уверен, что мы нашли хорошее решение.»

В отчете Американского Химического Сообщества от 2011 года сообщается, что всемирная выработка ветряной энергии в 2006 году составила 74,3 ГВт, а в 2007 — 94 ГВт. К 2020 году прогнозируется уровень выработки в 474 ГВт. К тому же сроку в США планируется достигнуть уровня выработки солнечной энергии в размере 100 ГВт.

Сейчас исследователи разрабатывают перевозимый проточный аккумулятор, сравнимый по габаритам с прицепом для перевозки лошадей. Подобные аккумуляторы могут быть подключены к солнечным панелям на крышах зданий, что позволит осуществлять бесперебойное энергоснабжение даже в условиях отсутствия солнца.

Entry tags:

Как улучшить натрий-ионные аккумуляторы

Американские исследователи предложили новую технологию изготовления электродов на основе гибкого материала, состоящего из слоя дисульфида молибдена и покрывающих его графеновых нанолистов.

Натрий-ионные аккумуляторы в будущем могут стать альтернативой широко распространённым сегодня литий-ионным батареям: источники питания нового типа обеспечат значительно бóльшую ёмкость — а значит, и увеличенное время автономной работы потребителей.

Увы, сегодня эта технология требует доработок, несмотря на заметный прогресс. Дело в том, что диаметр иона натрия равен 1,02 Å, а иона лития — 0,59 Å. Поскольку в процессе зарядки-разрядки ионы должны входить и выходить из удерживающих их структур аккумулятора, более крупные ионы провоцируют быструю деградацию батарей.

Об очередных достижениях в создании натрий-ионных элементов отрапортовали исследователи из Университета штата Канзас (США).

Структура нового композитного материала (здесь и ниже изображения Университета штата Канзас).

Доцент кафедры машиностроения и ядерной техники Гарприт Сингх (Gurpreet Singh) впервые показал, что особый композитный материал может служить одновременно эффективным хранилищем атомов натрия и гибким токоприёмником. Разработка представляет собой «бутерброд» из слоя дисульфида молибдена, сверху и снизу которого расположены графеновые нанолисты. Такая «композитная бумага» может играть роль отрицательного электрода в натрий-ионных аккумуляторах.

Обычно катоды в натрий-ионных батареях используют материалы, которые вступают в реакцию «сплавления» с натрием. В результате при зарядке и разрядке их толщина способна возрастать на 400–500%, что может стать причиной механического повреждения элемента и потери электрического контакта.

Дисульфид молибдена ведёт себя в натрий-ионных аккумуляторах иначе: многослойная и пористая структура обеспечивает эффективные диффузные каналы для ионов натрия во время быстрого накопления и отдачи заряда ячейками. Кроме того, отпадает необходимость в использовании полимерного связующего вещества и медной фольги, которые являются частью традиционных электродов. При этом электроды нового типа дают стабильную зарядную ёмкость в 230 мА•ч/г.

В ходе исследований команда г-на Сингха сформировала листы «композитной бумаги» довольно большой площади, состоящие из обработанного кислотой слоя дисульфида молибдена и химически модернизированных слоёв графена. При этом впервые удалось продемонстрировать работоспособность электродов на основе этого материала при комнатных температурах.

Предполагается, что в перспективе достижение приведёт к разработке эффективной технологии производства недорогих натрий-ионных батарей высокой ёмкости. Исследователи уже ведут переговоры о коммерциализации методики.

Результаты работы опубликованы в журнале ACS-NANO.

Подготовлено по материалам Университета штата Канзас.
Владимир Парамонов

Entry tags:

Натрий-ионные аккумуляторы нового типа пошли в серию

Стартап Aquion Energy запустил производство соответствующих батарей, кои считает ключом к повсеместной победе возобновляемой энергетики.

Нет, мы не будем снова объяснять, почему без решения проблемы хранения энергии возобновляемая энергетика не победит тепловую: устали. Вариант «исцеления», предложенный Aquion Energy, которую основали выходцы из научной среды, весьма заинтересовал инвесторов, включая Билла Гейтса (всего на $55 млн) — и вот пожалуйста: компания запустила в Пенсильвании линию по производству своих натрий-ионных аккумуляторов.
При КПД в 85–90% эти аккумуляторы можно полностью зарядить за час–два. Одна секция батареи на 1,5 кВт•ч по габаритам и весу напоминает чемодан, а их стопка, укладывающаяся на стандартный поддон, хранит в себе до 180 кВт•ч. Комплект размером со стандартный контейнер накапливает до 2,9 МВт•ч, так что подобное хранилище действительно может быть интересным даже для энергетиков. Поэтому уже сейчас завод Aquion Energy «настраивают» на производство 200 Мвт•ч накопителей в год — и при повышенном спросе эта цифра может быть «значительно увеличена».

Это всё замечательно, скажете вы, но как быть с малым жизненным циклом таких батарей, что долгое время мешало их внедрению? Разработчики отвечают так: живучести действительно есть куда расти: она всего вдвое лучше автомобильных аккумуляторов на свинце, то есть выше 1 000–1 500 циклов. А на сайте компании говорится и о 5 000 циклов зарядки-разрядки «без существенной потери качества», что фантастично для большинства натриевых аккумуляторов нашего времени. Опять же по стоимости на единицу ёмкости «натрий-ионники» примерно равны свинцово-кислотным батареям (правда, другие представители компании говорят даже о $250 за кВт•ч ёмкости), но при этом примерно впятеро превосходят их в скорости реакции на изменение нагрузки.

Общая схема батареи (здесь и ниже иллюстрации Aquion Energy).

Основатель компании Джей Уитакр (Jay Whitacre) подчёркивает ещё одно различие: свинцовые АКБ токсичны, как и серная кислота в них, в то время как натриевую вы может буквально есть — правда, предупреждает он, вкус отвратительный. Мы же добавим, что оксид марганца, также имеющийся в новых батареях, тоже не назовёшь дико полезным для здоровья.

И всё же несколько экономических преимуществ налицо. Электролитом, по сути, может быть солёная вода, которая натурально не горит и не взрывается, как электролиты литиевых аналогов; нет нужды и в охлаждении. В то же время, поскольку ёмкость новинок на единицу веса и объёма не столь хороша, как у литиевых, то для использования в электромобилях и гибридах, и так страдающих от громоздкости и тяжести батарей, натриевые накопители не годятся. И то же самое, увы, пока относится к портативной электронике.

Но для большой энергетики это не проблема, поскольку её интересует именно цена накопления и хранения энергии, и как раз поэтому GE два года назад запустила идеологически сходное производство натрий-никелевых батарей, нацеленных на тот же сегмент, хотя и чуть отличающихся технологически. Вопросом жизни и смерти для новых технологий Aquion Energy является то, удастся ли ей поддерживать цены на приемлемом уровне, около обещанных $250 за киловатт-час при массовом производстве. В этом случае она вполне может «откусить» довольно большую долю рынка энергонакопительных мощностей, который в ближайшие годы испытает сильнейший бум как Европе, так и в США.

Напомним: почти все страны западного мира не имеют действительно скоординированных крупномасштабных сетей, способных перебросить энергию на несколько тысяч километров без огромных потерь. А ещё им свойственна психологически обусловленная неприязнь к гидроаккумулирующим электростанциям и вообще любым крупным плотинам. С учётом бурного развития солнечной и ветровой энергетики в последние годы всё это делает вышеупомянутый бум неизбежным — правда, какая именно технология победит на этом быстроразвивающемся рынке, станет ясно далеко не сразу.

По мнению разработчиков, натриевые батареи перспективны и для ночного энергообеспечения дома, отрезанного от ЛЭП, и для выравнивания скачков внутри единой энергосистемы.

Тем не менее кто бы это ни был — Aquion Energy, GE или один из их конкурентов, — нам, сторонним наблюдателям очередного технологического прорыва, от этого будет только польза. Да, строго с экономических позиций ГАЭС пока не менее эффективны, чем батареи-накопители, а в некоторых местах даже превосходят их. Но непрерывный рост потребностей в мощных и компактных химических накопителях обязательно выведет на рынок изделия, что по размерам, массе и стоимости запросто могут быть использованы и для аварийного питания серверов, и для ночной подпитки целых домовладений с солнечными батареями на крыше. А судя по истории с Aquion Energy, это уже происходит.

Подготовлено по материалам Technology Review.

Александр Березин

Entry tags:

Топливная батарея на сахарах показала невиданную эффективность

Водородные топливные батареи нуждаются в платине, да и водород для них не слишком дёшев и распространён. Могут ли их энзимные аналоги, использующие вместо газа сахара, оказаться более практичным источником энергии?

Группа исследователей под руководством Персиваля Чжана (Y.H. Percival Zhang) из Политехнического университета Виргинии (США) разработала перезаряжаемую батарею на основе сахаров, по удельной ёмкости во много раз превосходящую современные литий-ионные аналоги.

«Сахар — отличное средство хранение энергии в природе, — поясняет г-н Чжан. — Вполне логично попробовать использовать его возможности, чтобы создать экодружелюбные батареи».

Персиваль Чжан (справа) и Чжигуан Чжу показывают свои «сахарные» батареи. (Здесь и ниже иллюстрации Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences.)

Учёные использовали каскадный набор энзимов, смешанный в комбинации, не встречающейся в природе, одновременно недорогой и эффективной.

По сути, конечная система весьма близка к водородному или прямометанольному топливному элементу. За несколькими важными отличиями: «топливом» в новой сахарной батарее служит мальтодекстрин — полисахарид, получаемый частичным гидролизом крахмала (если пожевать крахмал, вы ощутите именно его вкус). Окислителем выступает атмосферный воздух, а «выхлопом» — обычная вода. И никакой нужды в платине как катализаторе, так как её роль играют дешёвые энзимы.

Новая энзимная батарея, равно как и её топливо, невзрывоопасна, не горит, а материалы, из которых она сделана, вполне биоразлагаемы. Батарея легко перезаряжается при помощи операции, по сложности не превосходящей замену картриджа в принтере.

Энзимные топливные элементы, подчёркивают исследователи, не новость, но до сих пор их эффективность была не слишком высокой. Окисление сахаров в них управлялось одним или несколькими энзимами, что не позволяло полностью использовать материал в качестве топлива. В новой же установке удаётся получить гораздо больше электронов, что резко увеличивает отдачу энергии на единицу массы сахаров, хотя для этого и приходится использовать последовательно 13 видов энзимов.

Энзимные топливные батареи с 15-процентным раствором мальтодекстрина (патоки) имеют плотность накопления энергии в 596 А•ч/кг — на порядок больше, чем у перезаряжаемых литиевых батарей, применяемых сегодня. И это не удивляет, благо и полисахариды не литий по числу электронов, и окислитель новым батареям нести не приходится, потому что они берут его прямо из воздуха.

Сравнение нового источника энергии (EFC) с традиционными впечатляет, хотя напряжение одиночного элемента питания не слишком велико.

Наилучшие перспективы для таких систем их авторам видятся в портативной электронике, где они могут обеспечить куда более длительную работу на одной зарядке.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам Виргинского политехнического университета.
Александр Березин

Entry tags:

Для эффективности не всегда нужен порядок

Более эффективные литий-ионные аккумуляторы, которые могут запасать большее количество энергии, могут быть получены за счет введения дополнительного беспорядка в их электроды – это наблюдение противоречит ранее высказывавшимся предположениям о способах увеличения их эффективности. Открытие того, что для получения электродов в аккумуляторах вовсе нет необходимости в получении высокоупорядоченных кристаллических структурах, может значительно увеличить число кандидатов для изготовления аккумуляторов нового типа.

Литий-ионные аккумуляторы могут запасать больше энергии на единицу массы по сравнению, например, с никель-кадмиевыми.

Это обстоятельство позволяет как уменьшать размер портативных электронных устройств, так и увеличивать время между перезарядками источников питания. Тем не менее, для ряда применений, требующих больших затрат энергии (например для того, чтобы электромобиль мог проехать на одной зарядке большее расстояние), требуется еще большая плотность энергии аккумулятора.

Рис. 1. Ранее предполагалось, что упорядоченные
материалы со слоистой структурой позволяют ионам
лития перемещаться быстрее, чем в разупорядоченных
материалах. (Рисунок из Science, 2014, DOI:
10.1126/science.1246432).

При разряде литий-ионного аккумулятора ионы лития перемещаются к катоду, в процессе зарядки они возвращаются к аноду. Таким образом, увеличение емкости аккумулятора, в том числе, требует и того, чтобы электроды могли более эффективно поглощать и высвобождать катионы лития.

Традиционно материал катода изготавливают из имеющих слоистое состояние оксидных материалов, в которых ионы лития и ионы переходных металлов располагаются в раздельных, четко сформированных плоскостях.

Предполагалось, что такая упорядоченность необходима для увеличения эффективности работы электрода, так как дефекты в слоях могут вызывать сжатие оксидных структур и затруднять как поглощение, так и испускание ионов лития.

Рис. 2. Разупорядоченные структуры также
позволяют ионам лития входить в электрод и
покидать материал электрода благодаря тонким
слоям ионов в структуре. (Рисунок из Science, 2014,
DOI: 10.1126/science.1246432).

Гербранд Седер (Gerbrand Ceder) с коллегами из Массачусетского Технологического Института и Национальной Лаборатории Брукхевен решили выяснить, будет ли являться хорошим катодным материалом Li_1.211Mo_0.467Cr_0.3O₂.

Этот материал отличается слоистым строением, однако через несколько циклов зарядка/разрядка некоторое количество катионов лития случайным образом меняются местами с ионами переходных металлов, что приводит к «катодному разупорядочиванию».

Теоретически, этот процесс должен был мешать ионам лития входить в структуру электрода и покидать ее, что, в свою очередь, должно было бы привести к прекращению работы катода, однако было обнаружено, что емкость материала и его энергетические характеристики оставались неизменными даже при его существенной деградации.

Для объяснения наблюдаемого явления исследователи решили провести моделирование электронной структуры. Было обнаружено, что

рандомизация положения катионов не ингибирует скорость диффузии ионов лития, как предполагалось до настоящего времени.

Вместо этого, если в материале присутствует достаточное количество лития, между центральной и внешней областью электрода формируются тонкие слои ионов лития, позволяющие литию попадать в электрод и исходить из него. Как отмечает Седер,

главным результатом работы можно считать не столько обнаружение нового катодного материала, сколько новое направление в поисках материалов для изготовления катодов.

Специалист по материаловедению Йи Куй (Yi Cui) из Стэнфорда отмечает, что

новая работа представляет собой хороший пример изучения материала, свойства которого не позволяли ожидать от него большого значения катодной емкости.

Он добавляет, что катод всегда являлся элементом, в наибольшей степени определяющим энергетическую плотность литий-ионных аккумуляторов, а результаты работы предлагают новое направление для поиска материалов, способных выступить в роли катода.

chemport.ru

Entry tags:

Проточная батарея на органических компонентах и дешевле, и лучше ванадиевой

Непостоянство солнечной и ветровой генерации ограничивает их роль в энергобалансе буквально двумя–тремя десятками процентов. Кажется, новые батареи решительно изменят эту грустную ситуацию!

В Гарвардском университете (США) усилиями Майкла Азиза (Michael J. Aziz) и его сотрудников создан новый тип так называемой проточной батареи из весьма дешёвых материалов. Авторы разработки полагают, что она исключительно важна для триумфа возобновляемой энергетики. Попробуем разобраться, так ли это...

Ночью новая батарея сможет снабжать одно домовладение запасённым днём гелиоэлектричеством уже при ёмкости в 2 000 л. Не идеал, но реальнее литиевой или свинцово-кислотной альтернативы. (Здесь и ниже илл. Eliza Grinnell / Harvard School of Engineering and Applied Sciences.)

Проточные аккумуляторы весьма надёжны, долговечны (более 10 000 циклов зарядки–разрядки) и, что особенно важно, дешевле литий-ионных на киловатт-час запасаемой энергии. Самый успешный из них — ванадиевый редокс-аккумулятор, основанный на изменении степени окисления ванадия в рабочем растворе. Всего состояний окисления используется четыре: в батарее есть две ёмкости с электролитом, насосы и центральная камера, в которой две жидкости разделены протонообменной мембраной. Одна ёмкость содержит ионы V⁵⁺, вторая — V²⁺. Когда аккумулятор заряжается/разряжается, электролиты закачиваются в камеру, где идут химические реакции, сдвигающие заряд ионов в ту или иную сторону.

Из этой схемы очевидно, что в ней задействовано сравнительно немного ванадия, нет лития, а потому стоимость киловатт-часа ёмкости батареи может быть ниже $500 — той самой магической цифры, что до сих пор не позволяет электромобилям вытеснить своих вековых конкурентов. Что с ёмкостью? Она равна 20–30 кВт•ч/кг, что чуть ниже, чем у свинцовой батареи вашего авто, и в несколько раз меньше, чем у литиевой батареи вашего ноутбука.

Тем не менее для крупномасштабных накопителей энергии, используемых в энергосетях для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром, ёмкость на килограмм не так важна, как ёмкость на доллар. Опять же долговечность даже лучших литиевых аккумуляторов сегодня всё ещё в несколько раз меньше, чем у проточных аналогов. Именно поэтому на японском острове Хоккайдо строится первая крупная накопительная станция на ванадиевых редокс-аккумуляторах ёмкостью в несколько мегаватт-часов.

Увы, кроме японцев, пока охотников идти в этом направлении мало: по расчётам Министерства энергетики США, даже самые дешёвые ванадиевые батареи стоят нынче не менее $350 на кВт•ч ёмкости, в то время как для широкого внедрения цена должна упасть до $100 за кВт•ч. Улучшение технологии производства собственно ванадиевых батарей вряд ли поможет: только сам их ванадий стоит $81 на кВт•ч, то есть, как ни совершенствуй технологию, аккумулятор в комплекте будет всего на четверть дороже.

Именно поэтому группа Майкла Азиза взялась заменить ванадий на хиноны — органические соединения, используемые в животном и растительном мире для переноса электронов и протонов в процессе дыхания. В одной ёмкости своей экспериментальной батареи учёные разместили водный раствор хинона, а в другой — жидкий бром. При работе батареи каждая молекула хинона отдаёт через протонообменную мембрану пару протонов, а ещё два электрона — через отдельную цепь. В итоге в ёмкости с бромом из одной молекулы брома образуются две молекулы бромистого водорода. При зарядке к бромистому водороду просто подают электроны, и протоны от него переходят обратно к хинону. Кроме изменения направления работы насосов, ничего переделывать не нужно — и, что особенно важно, конвертеры и прочая электротехника, отвечающие за пиковую нагрузку, могут быть любой мощности и никак не связаны с общей ёмкостью батарей, определяемой объёмом накопителей с бромом и хиноном.

Что это значит? Если вы захотите «нарастить», скажем, литиевую батарею, вам придётся купить и накопительную ёмкость, и всю сопутствующую «электротехнику», поскольку функционально это единое целое. С проточными аккумуляторами таких ограничений нет, а потому стоимость накопления огромного количества энергии может быть очень умеренной — особенно если вам нужна не слишком большая пиковая мощность, как при хранении энергии, вырабатываемой фотоэлементами, которые стоят на вашей крыше.

От ванадиевых батарей новую хиноновую проточную отличает дешевизна компонентов: хинон накопителя почти идентичен хинону ревеня и распространён как в живой природе, так и в сырой нефти, отчего дешевле ванадия. На сам хинон приходится лишь $27 на киловатт-час ёмкости батареи, что ровно втрое меньше, чем для основного компонента ванадиевого редокс-аккумулятора. Следовательно, у такой или подобной батареи есть все шансы уложиться в прокрустовы $100 за киловатт-час, установленные в качестве ориентира Минэнерго США (кстати, спонсировавшим разработку).

Что не менее важно, хинон-гидрохиноновая реакция протекает примерно в тысячу раз быстрее, чем процессы восстановления и окисления ванадия. А это позволяет заряжать и разряжать такую батарею куда оперативнее ванадиевого варианта и в конечном счёте добиться много более стабильных параметров работы сети при той же номинальной ёмкости накопителей. «Я думаю, — говорит Майкл Азиз, — что химия, которой мы уже достигли, может быть лучшей из тех, что пригодны для стационарного накопления и хранения энергии. Вполне возможно, что она ещё и достаточно дёшева, чтобы пробиться на рынок. Но у нас ещё есть идеи, которые в огромной степени улучшат положение дел».

В ближайшее время Майкл Азиз собирается заменить ядовитый бром на ещё одну разновидность хинона.

Учёный намекает на то, что бром, вообще говоря, довольно дрянное вещество, в жидком виде весьма опасное для человека и весьма коррозионноактивное, к тому же ещё и замерзающее при -7,2 °C (хотя в работающей батарее замерзание ему вряд ли грозит). Идеальная проточная батарея в глазах исследователя будет иметь во второй ёмкости не его, а другую разновидность хинона — благо живые организмы всё же обходятся без брома в своих дыхательных процессах. Именно над такой заменой и корпит сейчас г-н Азиз.

Впрочем, коммерциализация даже текущей технологии вполне вероятна уже в ближайшее время. Частная Sustainable Innovations, LLC намерена в срок, не превышающий трёх лет, представить на рынке демонстрационную версию такой батареи, пригодной для широкого использования. Среди первых потенциальных потребителей авторы разработки видят домовладельцев и коммерсантов, имеющих солнечные батареи на крышах принадлежащих им зданий. Похоже, с такими накопительными ёмкостями можно будет отказаться от покупки электричества у энергосетей!

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Harvard Gazette.

Александр Березин

Entry tags:

Графеновые суперконденсаторы, готовы к использованию в электрических автомобилях

Графеновые суперконденсаторы, созданные корейскими инженерами, готовы к использованию в электрических автомобилях

Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энергии. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.

Одним из направлений повышения эффективности электрических автомобилей является сбор и повторное использование энергии, превращающейся в тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энергии, но эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования "быстрой" энергии требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.

К сожалению, суперконденсаторы, еще недавно, не готовы были выйти на "большую дорогу", несмотря на то, что они способны быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо этого, надежность суперконденсаторов также оставляет желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов, постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля количество циклов работы суперконденсаторов должно составить много миллионов раз.

У Сэнтэкумэра Кэннэппэна (Santhakumar Kannappan) и у группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных материалов современности - графен. Корейские исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена, емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых суперконденсаторов способны выдержать без потери своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.

Уловка, которая позволила добиться столь внушительных показателей, заключается в получении особой формы графена, у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью ультразвука. Получившийся графеновый порошок был упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.

Получившийся материал получился очень пористым, у одного грамма такого графенового материала его эффективная площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению электрической емкости суперконденсатора.

Измерение характеристик опытных суперконднсаторов показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм, плотность хранения энергии составляет 64 ватта на килограмм, а плотность электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов, плотность хранения энергии которых составляет от 100 до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.

Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению исследователей, которые написали, что их "графеновые суперконденсаторные устройства аккумулирования энергии уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в ближайших поколениях электрических автомобилей".

http://www.technologyreview.com/view/521651/graphene-supercapacitors-ready-for-electric-vehicle-energy-storage-say-korean-engineers/

Entry tags:

Новые аккумуляторы от GE и Berkeley Lab, на обычной воде.

Ученые из компании GE и Berkeley Lab разработали новую технологию аккумулирования энергии, основанную на обычной воде

Группа ученых из компании General Electric и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab) разработала принципиально новый тип устройства аккумулирования энергии, основой которого является обычная вода. Суммарная стоимость этого устройства составляется всего лишь одну четверть от стоимости типичных автомобильных аккумуляторных батарей, а его ресурсов достаточно для того, чтобы обеспечить пробег электрического автомобиля на расстояние 400 километров и больше на одной полной зарядке.

По сути, новое устройство является потоковой электрохимической батареей, которая накапливает или отдает электрическую энергию за счет электрохимических реакций, протекающих в резервуаре с водой. Конечно, это не чистая вода, а достаточно сложный раствор химических соединений неорганической природы. Благодаря тщательно подобранному составу и концентрации раствора электролита одна единичная электрохимическая реакция способна обеспечить выделение не одного, а сразу нескольких свободных электронов, что обеспечивает высокий показатель плотности хранения энергии.

В потоковой системе хранения электроэнергии используются две емкости для электролита, одна - для исходного, а вторая - для электрически "заряженного" электролита. По мере осуществления процесса зарядки электролит из одной емкости, проходя через ячейки электрохимического реактора, перемещается в другую емкость. При извлечении электрической энергии процесс происходит в обратном направлении. Такое раздельное хранение электролита делает систему более безопасной, ведь даже в случае автомобильной аварии два типа электролита не смешаются между собой, что в самом худшем случае может привести к моментальному выделению всей накопленной энергии, которая может стать причиной взрыва или возгорания.

"Мы достаточно сильно взволнованы тем, какое влияние может оказать наша технология на будущее электрических автомобилей, которые, благодаря низкой стоимости и способности заряжаться с быстрой скоростью станут более доступны и привлекательны для их будущих владельцев" - рассказывает Григорий Соловейчик (Grigorii Soloveichik), руководитель проекта со стороны компании General Electric и директор объединенного исследовательского центра Energy Frontier Research Center (EFRC).

Новые потоковые электрохимические аккумуляторные батареи компании General Electric по уровню безопасности превосходят показатели литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, используемых в современных электрических автомобилях. Помимо этого, их конструкция будет предусматривать достаточно простую установку практически на все модели серийных электромобилей, выпускаемых на сегодняшний день, а простота их обслуживания, выражающегося в замене раствора электролита и замене активных каталитических элементов электрохимических ячеек, должны сделать эту технологию более жизнеспособной и привлекательной, нежели другие, разрабатываемые сейчас, альтернативные технологии аккумулирования энергии.

первоисточник - http://johndayautomotivelectronics.com/ge-and-berkeley-lab-explore-water-based-ev-energy-storage/

Entry tags:

Аккумулятор 10 МВт•ч!

В Великобритании запускается крупный проект накопления и хранения энергии

Крупнейшее европейское объединение по накоплению и хранению энергии открывается в Великобритании. Этот проект объединит такие компании, как S & C Electric, Samsung SDI и Younicos, и введёт в действие литий-ионный аккумулятор мощность 6–10 МВт•ч на ведущей подстанции в Бедфордшире. Главная цель проекта – оценка экономической эффективности хранения энергии – часть «Углеродного плана» Великобритании (Carbon Plan).

Компании утверждают, данный проект может сэкономить более 9 млн. долларов США по сравнению с традиционными модификациями заменами линий и трансформаторов. В отличие от многих других регионов, либерализация рынка электроэнергии Великобритании направлена на сокращение углеродных источников энергии. В итоге фирмы получяют вознаграждение за более эффективное использование имеющихся у них активов, а не просто добавление физических активов.

Вместо того чтобы просто хранить энергию, когда в ней нет потребности, проект под названием «Smarter Network Storage» будут также использоваться, чтобы сбалансировать прерывистость ветра и других возобновляемых источников энергии и упростить ограничения по максимальной загрузке. Аккумулятор для накопления и хранения энергии остаётся дорогостоящим, и если цены не понизятся, аккумулятору придётся выполнять сразу несколько функций, чтобы стать рентабельным. Предоставляя дополнительную поддержку энергосистеме, хранилище должно иметь возможность использовать дополнительные источники дохода на рынке электроэнергии.

Великобритания нацелена иметь 15 процентов возобновляемой энергии к 2020 году, хотя у Шотландии гораздо более амбициозная цель – 100 процентов возобновляемой энергии к 2020.

Кроме того, сжатый воздух и гидроаккумулирующие электростанции, которые накапливают энергию эффективней всего, были недоступны из-за высоких затрат. Однако и в Великобритании, и в других регионах запускаются высокоуровневые возобновляемые источники, что соответственно улучшает обстановку в данной ситуации.

«Основные проблемы в энергосистеме от декарбонизации в Великобритании могут быть решены за счёт способности аккумуляторов укреплять сеть, говорит в заявлении Эндрю Джонс из S & C Electric Europe. Но в настоящее время существует ограниченное количество крупномасштабных энергетических проектов, что оставляет большой разрыв».

Проект получил $ 20,27 млн. от Отдела по управлению рынком газа и электроэнергии Великобритании (Ofgem), который управляет фондом по сетям с низким потреблением углерода (The Low Carbon Networks. LCN). Общая стоимость проекта, который рассчитан на четыре года, составляет $28.7 миллиона.

Проект «Smarter Network Storage» может стать самым крупным проектом в Европе, но в начале этого года, Япония объявила о проекте аккумулятора мощностью в 60 МВт-ч. Затраты по проекту составят около $ 300 млн. Ожидается, что он будет введен в эксплуатацию в 2015 году.

По материалам IEEE Spectrum.
nauka21vek.ru

Entry tags:

Tesla Motors уничтожит традиционный автопром США к 2015 году

Владельцы Tesla S уже в конце года смогут свободно ездить почти по всей территории США

Фото: Tesla Motors

Создатель компании Tesla Motors Элон Маск объявил о том, что у него всего готово для того, чтобы пересадить американцев на дешевые и быстрые электрокары. Маск решил обе проблемы, которые сдерживали массовое распространение электрокаров в США.

Все идет к тому, что Элону Маску в очередной раз удастся совершить, казалось бы, невозможное. Сперва он в одиночку освоил космос, разработав и построив на личные средства один из самых надежных и эффективных ракетоносителей — Falcon, и многоразовый корабль Dragon. Теперь он совершает прорыв в переводе Америки на частный электрический транспорт.

Как известно, ключевыми недостатками разработанного и построенного инженерами Маска электрокара Tesla S были долгая зарядка и отсутствие энергозаправочной инфраструктуры. Маск 10 лет с момента создания компании Tesla Motors последовательно решал эти две задачи. В итоге ему удалось разработать для своих машин такие аккумуляторные батареи, которые смогли позволить проезжать на одной полной зарядке 300 миль. Но чтобы зарядить такой аккумулятор от обычных электрозаправок требовались 14 часов и более. Понятно, что ни о каком комфорте при таких проблемах с «топливом» говорить не приходилось.

Маск решил эту проблему — в прошлом году в Калифорнии появились первые заправки сети Supercharger, принадлежащие его же компании SolarCity (занимается развитием инфраструктуры). Они отличаются от обычных электрозаправок как «Копейка» от «Мерседеса» — на них аккумуляторы Tesla S можно за 30 минут зарядить на пробег в 200 миль. Это уже практично. Особенно если учесть, что полная зарядка аккумуляторов на пробег в 300 миль стоит примерно 11 долларов. Причем уже всем очевидно, что и 30 минут — это не предел и, скорее всего, достаточно скоро полная заправка на Supercharger будет занимать времени столько же, сколько заливка бензина в баки традиционных машин, если не быстрее.

И вот, 30 мая на конференции AllThingsD D11 Маск объявил о том, что уже в июне зона охвата заправками Supercharger увеличится втрое — их станет больше на восточном побережье и они впервые появятся в центральных штатах. А дальше их число будет расти с каждым месяцем. До конца 2013 года Маск обеспечит оба побережья США необходимым числом заправочных станций Supercharger и соединит побережья коридором. С этого момента ездить на машинах Tesla можно будет примерно на 70% территории США, а не только по Калифорнии. А к концу 2015 года Маск пообещал полностью обеспечить территорию страны и соседней Канады необходимым числом своих быстрых электрозаправок.

Так станции Supercharger Элона Маска будут захватывать Америку

Неделей ранее Маск объявил о том, что в следующем году выпустит бюджетную модель автомобиля Tesla, чтобы он стал доступен максимально широкому числу потребителей.

Все вместе это — переворот. Доступные, стильные, быстрые электрокары (топовая Tesla S разгоняется до сотни за 4 с небольшим секунды), дешевая энергия (повторим — 11 долларов за зарядку достаточную для пробега в 500 км, или примерно в 4 раза дешевле бензина) и развитая инфраструктура быстрых заправочных станций. Что еще нужно, чтобы стремительно пересадить жителей США и Канады с бензиновых и дизельных машин на электрокары? Очевидно, что кошельки потребителей проголосуют за ежедневную экономию на топливе при равной стоимости машин Маска и производителей машин с двигателями внутреннего сгорания. Тем более, что первые абсолютно экологичны.

Все это становится реальностью усилиями одного одаренного энтузиаста и успешного бизнесмена.

Не случайно рынок уже проголосовал за Маска — стоимость акций Tesla Motors, компании, которая за всю свою историю продала чуть более 10 тыс. машин, составила к концу мая 10 млрд. долларов. Судя по всему, именно эта оценка – а стоимость компании всего за полгода удвоилась — позволила Маску перейти в агрессивное инфраструктурное наступление на традиционный американский автопром. И в этом его поддерживают потребители — машины марки Tesla Motors впервые в истории в первом квартале 2013 года продавались в США лучше премиальных моделей BMW, Audi и Merсedes-Benz.

Для сравнения — концерн Fiat стоит $7,8 млрд., а альянс PSA Peugeot Citroen, состоящий из двух старейших в мире автопроизводителей, оценивается уже в три раза ниже компании Маска — $3,1 млрд. На фоне его успехов и того невероятного темпа, в котором он внедряет электрокары в Штатах, у бензинового автопрома перспектив в США, судя по всему, уже нет.

Для тех, кто не видел - презентация Model - X, в продаже с 2014 года.

"" (Watch on YouTube)

А это уже 2013 год. Детройт.

Watch on Vimeo

Entry tags:

Разработаны долговечные аккумуляторы с повышенной ёмкостью.

В Стэнфордском университете разработаны долговечные аккумуляторы с повышенной ёмкостью.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали новый тип воздушно-цинковых аккумуляторов, превосходящих по основным эксплуатационным характеристикам литий-ионные. Они способны запасать вдвое больше энергии на единицу объёма, отличаются повышенной безопасностью и долговечностью.

Одноразовые воздушно-цинковые элементы питания известны давно. Например, они используются в слуховых аппаратах, датчиках и другом маломощном оборудовании преимущественно медицинского назначения.

Главной проблемой при создании перезаряжаемых воздушно-цинковых элементов долгое время был выбор подходящего катализатора. В разных работах предлагались платина, иридий и их смеси с другими дорогостоящими металлами. Помимо удорожания батарей такие катализаторы снижали срок их службы, так как быстро загрязнялись продуктами реакции (каталитическими ядами).

Поиски материалов с относительно низкой себестоимостью, более высокой каталитической активностью и долговечностью продолжались годами.

Недавно группе исследователей из Стэнфордского университета удалось получить катализатор реакции восстановления кислорода с высокой активностью и долговечностью без использования дорогостоящих компонентов.

Перезаряжаемый воздушно-цинковый элемент питания с новым катализатором (фото: Yanguang Li / Stanford University)

Предложенные катализаторы сделаны из оксида кобальта и ферромагнитного сплава никеля и железа. Для увеличения площади поверхности использованы периодические включения из углеродных нанотрубок.

В процессе питания нагрузки кислород из атмосферного воздуха вступает в реакцию с металлическим цинком в жидком щелочном электролите и накапливается оксид цинка. Во время перезарядки происходит обратный процесс – восстановление металлического цинка.

Сейчас на рынке прочно утвердились литий-ионные батареи. Их используют практически везде – от телефонов до электромобилей. Однако помимо высокой цены у литий-ионных аккумуляторов есть другие существенные недостатки.

Главные из них – невысокая удельная плотность энергии и опасность возгорания. Из-за дефектных батарей производители ноутбуков неоднократно отзывали большие партии своей продукции и несли огромные убытки.

В воздушно-цинковом аккумуляторе решены обе проблемы. Вероятность перегрева или взрыва для них практически полностью исключена. Поскольку кислород поступает из атмосферы, требуемый объём электролита сокращается. В результате удельная плотность энергии увеличивается примерно в два раза по сравнению с литий-ионным аккумулятором.

Долговечность новых многоразовых элементов питания пока под вопросом, но первые результаты испытаний обнадёживают. В ранних экспериментах они выдерживали порядка трёх тысяч циклов «заряд-разряд».

http://www.computerra.ru/69701/rechargeable-zn-air-batteries/