Деньги, как известно, имеют различные функции. Одной из них является непрестанное движение денег в обращении, обслуживание процесса обращения. Без выполнения деньгами этой функции торговля была бы невозможна.

Существует ли в литий-ионных батарей будущее?

  1. Коробочка впрок
  2. внутреннее напряжение
  3. плохая энергетика
  4. Избавиться от лития

Развитие литий-ионных аккумуляторов достиг своего апогея. Что же будет дальше? Давайте разбираться.

Искусственные ткани, пластик, стройматериалы - это все является продуктом научных открытий и исследований
Искусственные ткани, пластик, стройматериалы - это все является продуктом научных открытий и исследований. Но в современном мире высоких технологий человек привязан еще и в литий-ионных аккумуляторов, питающих почти всю технику в доме. Ограничены объемом, но компактные и надежные они уже стали привычными для нас, и кажется, что этот винахыд существовал всегда. Эксперты говорят о том, что литий-ионов аккумуляторы уже отживают свое и исчезнут из нашей жизни на протяжении следующих 10 лет.

Два года назад Washington Post исследовали тему добычи дорогих материалов, содержащихся в таких батареях: графита, кобальта и лития. В одной из таких статей издание показало видеоролик. Действие происходит в Африке. Узкая мутная река, а на берегу реки по обоим бокам ходят женщины в цветастых платьях, дети и хаос. Мы попадаем в процесс, когда работа кипит: в реке все промывают небольшие доли земли или камни. Именно здесь производят кобальт, без которого не может функционировать ни один аккумулятор смартфона. Большая часть добычи кобальта изготавливается в африканском регионе - стране Конго. В Конго работают официальные шахты с шахтерами, которым платят минимальную зарплату.

В этом видео кроме гуманитарных проблем, существующих в Конго можно увидеть и главную проблему Li-ion батарей. Аналитическое агентство Bloomberg New Energy Finance пришли к выводу , Что в 2016 году емкость всех проданных аккумуляторов сопоставила около 120 ГВт * ч. Если перевести этот объем в понятные цифры, то это примерно 7500000000 смартфонов. Почти каждому по смартфону. Другим цивилизациям наш образ жизни может показаться странным: человек целый день ходит с пластиковой коробочкой или несколькими такими устройствами и вечером приходит домой, чтобы зарядить ее. А утром снова идет на работу, чтобы тратить весь запас электроэнергии.

А если человечество станет использовать Li-ion батареи в промышленных масштабах в электромобилях, то рынок кобальта это вряд ли выдержит. Людей, добывающих кобальт, загонят в рабство, а металл начнет постепенно исчезать с рынка, его нехватка будет более чем заметной.

Но это не единственная проблема Li-ion батарей.

Коробочка впрок

Если кто-то первый задумает открыть загадку кто придумал литиевые аккумуляторы, то почти наверняка зайдет в тупик. В одной работе только написали об идее, заложив сам принцип, в другой - показали компонент, а в третьей - собрали целостный аккумулятор. Источников, где бы описывали данную технологию очень много, на это ушло десятки лет и сотни материалов, над которыми работали множество коллективов.

Принцип литий-ионных аккумуляторов прост. Эта коробка содержит, два электрода (электропроводящий материал, который выполнен в определенной форме, это может быть как пластина, так и цилиндр и т.д.), разделенные мембраной, содержащиеся в электролите, который наполненный ионами лития. В популярнийший версии аккумулятора на сегодня один электрод сделан из графита, другой - из оксида кобальта СoO2.

Главные дольки в таких батареях, как можно понять из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому очень хорошо сохраняют энергию. Батареи с одной стороны получают максимальную емкость на оптимальную массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. С другой стороны, мобильность атомов лития позволяют аккумуляторам быстро терять заряд, производя ток, поскольку эти процессы связаны с перемещением лития внутри самого устройства. Графит и оксид кобальта подобраны под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют частицам лития легко проходить сквозь них.

Когда аккумулятор заряжен на все 100%, в графитовом электроде содержится много ионов лития. После того, как аккумулятор подключается к внешней нагрузки, графит становится положительным электродом, а оксид кобальта - отрицательным. Положительные ионы лития под действием электрического поля начинают течь по электролита к отрицательному электроду, а графит для электронейтральности отдает на внутренние электроны. Далее эти электроны функционируют по цепочке и приходят уже к CoO2, где «помогают» ионам лития создать оксид кобальта LiCoO2.

При процессе зарядки аккумулятора весь путь повторяется, но наоборот. Ионы лития и электроны выходят из оксида кобальта, первые бегут по электролита, а за ними - через внутренний цепочку (электроны бегут в обратную сторону), чтобы снова встретиться в граффити. Конец первого цикла работы.

Звучит это довольно несложно: ионы лития под действием внешнего поля перетекают от одного электрода к другому, проталкивая через внешний цепочку электроны. Но первое впечатление обманчиво.

внутреннее напряжение

Мы привыкли воспринимать технологические новинки как черные ящики. Нажимаешь на кнопку и получаешь результат. Мы не задумываемся о том, что произошло внутри. С аккумулятором это заметно то через форму, то из-за простоты использования. Но иногда «черные ящики» начинают вести себя непредсказуемо, обнажая свою начинку.

Самый простой пример - это взрывы и самовозгорания литий-ионных аккумуляторов в прошлом. Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многократных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO2 образовывались дендриты. Они коротила положительные и отрицательные электроды друг на друга и через аккумулятор начинали проходить электронные токи. Это запускало очередь неисправимых химических реакций с выделением тепла, аккумулятор плавился и взрывался. Похожая история была с аккумуляторами телефона Samsung Galaxy Note 7, но они взрывались не из износ, а из-за ошибок при сборке аккумуляторов.

Вздутие литий-ионной батареи

Другой пример не так опасен, однако, более знакомый: если разрядить устройство к нулю, то после этого он уже хуже держит заряд том, что хрустальная структура электрода оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.

Еще больше проблем было с зарядным устройством. Несколько процентов к величине тока или напряжения - аккумуляторы сразу же начали портиться. В настоящее время пользователи гаджетов защищены от этих фокусов зарядных устройств. Вшиты электронные схемы в зарядных устройствах контролируют ход зарядки, но раньше этого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов заряда и разряда. Вся начинка гаджетов тщательно подогнана и проверенная годами исследований, чтобы мы могли получать удовольствие от простоты пользования.

Теперь разработчики техники ставят перед собой новые цели - Li-ion аккумуляторы начинают активно использоваться в электротранспорте. В отчете Bloomberg New Energy Finance было отмечено, что в 2022 году объем рынка литий-ионных аккумуляторов станет больше, чем батареек для потребительской техники.

Сделать большой по объему Li-ion аккумулятор (которые используются в электромобилях) непросто. Это целая схема аккумуляторов, синхронизированы между собой. Так аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элементы каждый - всего 1184 элементы. Эта конструкция стоит половину стоимости электрокара. Чтобы минимизировать расходы, Маск открыл в пустыне Невада большую фабрику по изготовлению литий-ионных аккумуляторов. По плану, общая емкость аккумуляторов в год должен составлять 35 ГВт * ч.

По плану, общая емкость аккумуляторов в год должен составлять 35 ГВт * ч

Гигафабрика по изготовлению литий-ионных батарей в Неваде

Экскурсии на эту фабрику проходят в условиях повышенной секретности. Закрытые комнаты, коммерческие тайны и запретные зоны. Соединить 1200 батарей так, чтобы они все одновременно заряжались и разряжались - это нереально сложная задача. Любая ошибка может привести к пожарам, взрывам и других потерь.

В литий-ионных батарей существуют и другие недостатки. Один из них - это конструктивное соединение между мощностью аккумулятора и его объемом. При разработке нового Li-ion аккумулятора следует учитывать элемент большой мощности. Такая батарея будет иметь большой объем, то есть довольно габаритная виду. Маленький аккумулятор показывать маленькую мощность. Это не всегда удобно на практике. Другой недостаток - это их емкость. Вместимость Li-ion наибольшая среди всех, но все же достаточно маленькая. Так аккумулятор Tesla Model S весит 540 кг и это более четверти веса всей машины. Поэтому, подводные лодки на батареях - это нереальная затея для разработчиков.

плохая энергетика

Недостатки Li-ion аккумуляторов вряд ли когда-нибудь перевесят их преимущества. Но все не так просто. Аккумулятор представляет собой не только «черный ящик», он как бы атом из другой галактики, нераздельный на составляющие. Например, 100 г колбасы содержит 60 г воды, 20 г углеводов и 12 г белков; в футболке 60% хлопка и 40% полиэстера. А в литий-ионных батареях от 0-100% энергии, а остальные - пустота.

Конечно, мы знаем, что это не так. Все аккумуляторы состоят из различных элементов. Но дома все батареи телефонов и ПК - это бездушный продукт без содержания и истории. Они оживают лишь тогда, когда начинают барахлить и глючить или когда кто-нибудь из домашних пожелает узнать что в этом устройстве внутри.

Журналисты издания Motherboard уничтожили телефон с помощью промышленного блендера. В результате они нашли 31 химический элемент. Золото, галлий, ванадий - откуда они там и для чего?

Внутри современных аккумуляторов тоже много составляющих, которые могут быть неожиданностью. Дикий добыча кобальта - это самое выгодное дело в африканском городе Колвези. Мужчины вместе идут в подземелье, где без специальных инструментов добывают горный породу, после чего отдают ее женщинам и детям на промывку и продают готовый продукт тем, кто скупает подобный материал. Выручка на одного человека составляет 2-3 $ в день. Произведение находится на грани выживания. Здесь верят в то, что подземный материал в виде кобальта можно распознать по цветкам, живущих над ними на земле.

После статей Washington Post о добыче кобальта, почти каждый крупный производитель должен что-то ответить на такое журналистское расследование. Некоторые оправдывался, что они тщательно проверяют пути доставки и покупают кобальт из легальных источников. Другие отказывались проверять что-нибудь, а кто-то и вовсе пообещал отказаться от кобальта. Но довериться им очень сложно. Электроды на кобальте преобладают свои аналоги, а пути доставки этого металла слишком сложные для отслеживания раз и навсегда.

Здесь существуют две причины. О первой причине мы уже говорили: почти 60% мирового объема кобальта добывают в Конго. Так скллалося исторически. США на законодательном уровне регистрирует все металлы, они добывают, но среди этого перечне нет кобальта. Не так просто перекрыть финансовый поток, который обеспечивает более половины аккумуляторов на этой планете.

Вторая причина вытекает из первой. Основной пользователь кобальта - это те компании, которые изготавливают Li-ion аккумуляторы. На этот металл поднялась за последние годы аж в семь раз. На быстрый заработок слетелись талантливые предприниматели. Почти все они по национальности китайцы. Материалы идут на производство или на склады предпринимателям в КНР. Рынок кобальта не такой уж простой самом деле и включает в себя целый ряд трудностей в виде культурных коллизий и языковых проблем. Здесь царят свои правила, где детский труд и низкая заработная плата является нормой для всех.

С литием подобных проблем не меньше. Около половины лития добывается в Чили, Аргентине и Боливии. Для рабочих там достаточно хорошие условия, но сама разработка может угрожать экологии района. Из-под земли выкачивают большое количество соленой воды, отфильтровав которую затем получают ценный металл. На одну тонну лития нужно прокачать 2 млн. Л. рассола при условиях засухи. Мнения экспертов здесь расходятся: одни говорят, что это никак не повлияет на запасы пресной воды, другие говорят о том, что все может закончиться плачевно.

Добыча лития

Если говорить о ресурсах для литий-ионных батарей, то существует еще одна категория опасений, которые исключают этические соображения и ссылок на экологию. Спустя несколько оценкам этих ресурсов может действительно не хватить. так по оценках журнала Nature, уже через десять лет запрос на кобальт превышать объемы производства. И в этой ситуации даже китайцы не помогут.

другие эксперты считают , Что запасов кобальта хватит как минимум на 40 лет, а о других металлы в ближайшее время волноваться безосновательно. Чья здесь правда понять сложно. Но если мы заменим двигатели внутреннего сгорания на электрические аналоги (а к этому идет), кто-то может очень сильно пострадать. Пути поставок сырья для современных батарей на лития очень ограничены. Они не смогут так быстро расшириться, когда рынок электромобилей стремительно возрастет.

Избавиться от лития

Что имеем в заключении? Li-ion в современном мире очень хорошо прижились, но путей для дальнейшего развития в виде электрокаров (большая масса и сложности с масштабированием) на батареях практически нет. Это все требует много средств и ресурсов, которых не так просто найти. Следовательно, нужно искать другие технологии.

Понемногу можно модифицировать Li-ion аккумуляторы например, заменить электроды. Типичный пример это еще одно исследование Nature. Там авторы вместо электродов на основе оксида кобальта предлагают использовать оксид марганца. Уже было проведено первое испытание этой технологии. В итоге батареи имели хорошую вместимость, стабильные показатели, но слишком высокое напряжение для подзарядки. В перспективе можно было бы получить более дешевое устройство, но такой аккумулятор может быть громоздким и опасным для пользователя.

Таких аналогов с десяток: литево-ферофосфатному батареи, литий-никелевые, литий-фторидный, и каждый из них является опасным для пользования. К тому же по техническим характеристикам они проигрывают современным батареям и подходят для использования только в ограниченных сферах деятельности. Учитывая, что себестоимость Li-ion аккумуляторов с 2010 года упала в 4 раза, а спрос уже почти удовлетворены, аналогам Li-ion аккумуляторов без заметных преимуществ будет очень трудно найти своего клиента.

Можно было действовать жестче и все-таки найти другие пути для решения электрохимического сохранения энергии. Здесь выбор очень широк: натрий-ионные аккумуляторы, литий-воздушные аккумуляторы, водородные топливные элементы и микробные топливные элементы, стоковые батареи. В каждом аналога существует преимущество перед литий-ионными аккумуляторами. Возьмем для примера стоковые батареи. Там объем энергозапас не зависит от мощности элемента и поэтому они идеально подойдут для сохранения лишней электроэнергии в распределенных электросетях или сетях, связанных на восстановление источников энергии.

Современная qwerty-клавиатура была изобретена в конце XIX века. Она оптимизирована не так во скорость или удобство текстового набора, а под работу механических печатных машин. Она была сделана таким образом, что самые популярные символы были максимально удалены друг от друга для того, чтобы молоточки этих букв не касались друг друга во время печати. На печатающих машинках мы уже давно не печатаем. Сейчас существуют и другие инструменты для тех, кто пишет статьи или книги, но так уж повелось, что мы используем все тот же алгоритм для печатания текста.

С Li-ion аккумуляторами похожая история. Они не очень подходят для новейших технологий, таких как электромобиль, но поставки уже налажено, сети сбыта тоже прижились. Порвать со всем этим и перейти на новую технологию будет очень сложно. Это придает некоторой интриги до того, как будут изменяться технологии хранения электрической энергии под давлением новых потребностей, диктует время. Обратная связь тоже важен. Не только повседневность вынуждена перестраиваться под научные открытия, но и наука с технологиями трансформируются, подстраиваясь под реалии нашей жизни.

Более интересным:

Что же будет дальше?
Золото, галлий, ванадий - откуда они там и для чего?