Аккумуляторы — лидеры в области хранения электроэнергии 

Аккумуляторы — это устройства, обеспечивающие хранение энергии и высвобождение ее по требованию. В то время как бытовые аккумуляторы вырабатывают электрическую энергию путем прямого преобразования химической энергии, концепция хранения энергии хорошо иллюстрируется на примере «водяной батареи», водохранилища с насосным питанием Nant-de-Drance. Расположенная высоко в Швейцарских Альпах, она содержит запас электроэнергии, превышающий емкость 400 000 аккумуляторов электромобилей.

Эта водяная батарея работает с помощью гидроэлектрогенераторов и двух водохранилищ — верхнего и нижнего. В часы пик для выработки электроэнергии спускается вода из высокогорного водохранилища. При перепроизводстве энергии вода откачивается обратно и хранится для дальнейшего использования. 

Несмотря на то, что водяной аккумулятор является интересной моделью, он отличается от обычных портативных аккумуляторов, которые используются для питания значительной части повседневной современной жизни. Обычные аккумуляторы представляют собой электрохимические элементы или серии элементов, вырабатывающие электрический ток. 

Лишь немногие технологии играют более важную роль в стремлении промышленности сократить выбросы углекислого газа, чем электрохимические аккумуляторы. Они питают электромобили, накапливают электроэнергию от солнечных батарей и ветряных турбин, а также стабилизируют электрическую сеть. В двух последних областях применения аккумуляторы необходимы для экономичного расширения использования возобновляемых источников энергии. 

Учитывая уникальное воздействие аккумуляторов на окружающую среду, включая добычу, утилизацию и весь жизненный цикл производства, требуется тщательный анализ. В результате энергетический переход не приведет к тому, что один ряд проблем для окружающей среды будет заменен другим, столь же пагубным.

Электрохимические аккумуляторы делятся на три основных класса: первичные, вторичные (батарея вторичных источников тока) и третичные, с различными конструкциями элементов в рамках этих широких категорий. Использование различных металлов и электролитов в рамках этих классификаций обеспечивает свойства, подходящие для различных конечных применений.

Первичные (гальванические) батареи, также известные как одноразовые батареи, не подлежат перезарядке; они должны быть утилизированы после использования. Они часто используются в портативных устройствах, таких как фонарики и другие крупногабаритные электронные приборы. Например, сухие элементы, щелочные батареи, цинково-углеродные элементы и литиевые первичные элементы.

Алкалиновые батарейки — самый популярный тип одноразовых батареек. Эти неперезаряжаемые батареи, которые относятся к самой экономичной категории. Они поддерживают постоянную скорость разряда в течение всего срока службы и обеспечивают надежную работу. Однако, несмотря на свое практическое достоинство, щелочные батарейки не являются безопасными для окружающей среды из-за своей одноразовой специфики.

Перезаряжаемые аккумуляторы, иначе называемые вторичными, можно многократно заряжать и использовать. В отличие от первичных аккумуляторов, предназначенных для одноразового использования, они используют внешний электрический потенциал для обратного протекания химической реакции разряда, что позволяет использовать их многократно. Эти элементы бывают различных химических конфигураций, включая свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (Ni-MH) и литий-ионные (Li-ion). Перезаряжаемые аккумуляторы обычно стоят дороже первичных, а некоторые из них требуют правильного обращения, чтобы избежать их перегрева, который может привести к пожару или взрыву.

Третичные батареи — наименее распространенный тип аккумуляторов. В отличие от первичных и вторичных батарей, элементы этого типа батарей отделены от других компонентов непосредственно перед их включением. Наиболее часто изолируемым компонентом является электролит.

Резервные батареи эффективно устраняют возможность самостоятельного расхода заряда и минимизируют химический износ. Большинство резервных батарей — тепловые, и они используются почти исключительно в военных целях.

В этой статье речь пойдет о перезаряжаемых литий-ионных (Li-ion) аккумуляторах, которые являются наиболее распространенным типом.

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее предпочтительный вид, который используется в широком спектре областей благодаря их длительному сроку службы, высокой плотности энергии и желаемым характеристикам напряжения. В список входят миниатюрные слуховые аппараты, мобильные телефоны, компьютеры, электронные велосипеды, электромобили и даже массивные сетевые накопители энергии.

В литий-ионных аккумуляторах обычно используются разные материалы для анода (отрицательного электрода) и катода (положительного электрода). В качестве электрода может быть использован любой проводящий материал, включая металлы, полупроводники, графит или проводящие полимеры.

Материалы положительных электродов существенно влияют на производительность, цикличность и срок службы литий-ионных элементов. Электролит переносит положительно заряженные ионы лития между анодом и катодом, а сепаратор блокирует поток электронов внутри батареи, позволяя ионам лития проходить через него.

На отрицательно заряженном аноде происходит реакция окисления, в следствие чего высвобождаются электроны, которые движутся к внешней части цепи. В большинстве литий-ионных аккумуляторов в качестве анодного материала используется графит — сочетание природного графита, добываемого из земли, и синтетического графита, получаемого при нагревании нефтяного кокса. Полученная смесь имеет слоистую структуру, что позволяет ионам лития проникать в слои во время зарядки и выходить из них во время разрядки.

Катод — положительный электрод элемента, на котором происходит восстановительная химическая реакция. В литий-ионных аккумуляторах используются различные катодные материалы, включая оксид кобальта лития, фосфат железа лития и оксид никель-марганец-кобальт лития. Эти материалы в процессе циклов заряда и разряда могут реверсивно принимать ионы лития в свою кристаллическую структуру и выбрасывать их из нее.

Производители литий-ионных аккумуляторов должны получать высококачественные минералы исключительной чистоты. Таким образом, более половины стоимости производства литий-ионных аккумуляторов приходится на катод и анод. Сборка катода, сепаратора, анодов и токоприемников также требует точных действий по сборке, включая размещение отдельных слоев и обмотку.

Литий-ионные аккумуляторы существуют уже около 30 лет, и за это время их рост вырос в геометрической прогрессии.

Однако другие химические составы аккумуляторных батарей, такие как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, существуют уже более века. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, о чем говорится в следующих разделах.

Свинцово-кислотные аккумуляторы существуют с конца 1800-х годов и широко используются до сих пор. Такие аккумуляторы обладают требуемой эффективностью при приемлемой стоимости; они также пригодные для вторичной переработки и не требуют сложных систем управления аккумуляторами для обслуживания. Однако они имеют низкую удельную энергию и ограниченное количество циклов по сравнению с другими типами. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются для питания инвалидных колясок, тележек для гольфа, аварийного освещения и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Из-за наличия в них свинца, являющегося широко известным токсином, они подлежат профессиональной утилизации по истечении срока службы.

Никель-кадмиевые аккумуляторы состоят из гидроксида оксида никеля, металлических кадмиевых электродов и щелочного электролита на основе гидроксида калия. Одно из их главных преимуществ — возможность быстрой зарядки, но сопутствующий недостаток — высокая скорость разрядки. Кроме того, кадмий, как и свинец, является токсичным.

Никель-металлогидридные аккумуляторы обеспечивают дополнительные улучшения по сравнению с никель-кадмиевыми, включая увеличение плотности заряда на 30% и значительно более медленную саморазрядку. Однако им нужно больше времени для зарядки, а еще при многократной зарядке они подвержены снижению емкости заряда.

По сравнению с другими типами вторичными аккумуляторами, литий-ионные аккумуляторы — это современная разработка в области перезаряжаемых батарей. Они отличаются превосходным соотношением высокой плотности энергии и мощности, а также оптимальным соотношением веса и энергии по сравнению с тремя предыдущими типами. Однако литий-ионные аккумуляторы чрезвычайно огнеопасны, что требует наличия защитной схемы и осторожного обращения.

В ближайшем будущем ожидаются новые поколения передовых литий-ионных аккумуляторов. Например, литий-серные аккумуляторы, в которых происходит расходование литиевого анода и превращение серы в различные химические соединения. Твердотельные аккумуляторы также имеют потенциал, но эта концепция еще не вышла из стадии лабораторных разработок и не стала коммерчески выгодной.

В условиях большого энергетического перехода будущее аккумуляторов влияет на всех людей. Сюда входят используемые материалы, места добычи металлов и способы их утилизации или, в идеале, повторного использования. Экологически безопасная разработка аккумуляторов предполагает учет степени значимости сырьевых материалов и уделение должного внимания таким вопроса, как поиск, утилизация и последующее повторное использование этих полезных ископаемых.