Обзор новых технологий в производстве источников питания

28 февраля 2014 - Роман Мирошин

Текущий месяц выдался удачным для разработчиков элементов питания. В различных источниках то и дело появляются новости о новинках в этой отрасли. Я решил собрать информацию о них и поделиться с вами. Под катом вас ждёт много различных технологий хранения энергии — от сахарных до квантовых.

«Квантовая» батарея


С 26 по 28 февраля в Токио проходит выставка накопителей, на которой среди прочих представлена компания Micronics Japan Co. Ltd. О её предыдущих разработках мало что известно, но совсем недавно она заявила о том, что разработала и подготовила к производству слоистую батарею нового типа. Одиночная ячейка, которую демонстрирует компания, 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 опытном образце используется лист нержавеющей стали толщиной 10 мкм, но вскоре его заменят на алюминиевый.

Квантовой разработчики назвали свою батарею чтобы подчеркнуть её физическую, а не химическую природу. Несмотря на то, что для хранения энергии вместо ионов в ней используются электроны, по принципу действия эта батарея отличается от конденсаторов. Утверждается, что система основана на хранении электронов «в запрещённой зоне» полупроводника.

 

 

При производстве структур «металл — оксид — полупроводник» зарядовый слой накопителя облучают ультрафиолетом. После изготовления, при зарядке, электроны занимают свободные энергические уровни в рабочем материале и хранятся там до тех пор, пока батарею не потребуется разрядить. В итоге получаются перезаряжаемые батареи с очень высокой плотностью хранения энергии.

Какими показателями обладают тестовые образцы неизвестно, но разработчик заявляет, что серийные образцы, которые появятся в скором будущем, будут иметь ёмкость до 500 Вт•ч/л и при этом смогут выдавать до 8 000 Вт пиковой мощности на литр объёма.
Такие накопители объединяют лучшие черты аккумуляторов и суперконденсаторов. Даже при малой ёмкости они смогут выдавать большую пиковую мощность. Напряжение, снимаемое с таких накопителей, не уменьшается по мере их разрядки, а до конца остаётся стабильным.
Заявленный диапазон рабочих температур от -25 до +85 °C. Батарея может быть подвержена 100 тыс. циклов зарядки-разрядки до падения ёмкости ниже 90% от первоначальной. Способность быстро забирать и отдавать энергию сильно уменьшит время зарядки. Кроме того, такие батареи пожаробезопасны. Редкие или дорогие материалы в её производстве не используются. В общем, плюсов столько, что даже не верится.

 

Самозаряжающаяся батарея


Группа исследователей во главе с Чжунлинь Ваном (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии (США) создала самозаряжающуюся батарею, не требующую для возобновления заряда подключения к розетке.
Устройство заряжается от механического воздействия, а точнее — от нажатия. Его планируется применять в сматрфонах и других устройствах сенсорных устройствах.

 

Батарея представляет собой «прирог» из поливинилиденфторидной и цирконат-титанатосвинцовой плёнок толщиной в несколько сот микрометров. При нажатии на неё ионы лития мигрируют от катода к аноду в силу пьезоэлектрического эффекта. Чтобы повысить эффективность прототипа, исследователи добавили в его пьезоэлектрический материал наночастицы, усиливающие соответствующий эффект, и добились серьёзного увеличения ёмкости и скорости подзарядки устройства.

Нужно понимать, что батарея непрозрачная, поэтому может помещаться только под кнопками, либо под экраном.
Батарея не имеет таких выдающихся характеристик, как ранее описанное устройство (сейчас ёмкость батареи размером со стандартную «таблетку» для матплат выросла с начальных 0,004 до 0,010 мА•ч), но разработчика обещают ещё поработать над её эффективностью. До промышленных образцов ещё далеко, хотя гибкие экраны — основные устройства, в которых разработчика планируют разместить свою батарею — пока слабо распространены. Ещё есть время доработать своё изобретение и внедрить в производство.

 

Батарея на основе сахара


Складывается впечатление, что разработкой батарей занимаются только азиаты. Прототип очередной необычной батареи создали в американском Политехническом университете Вирджинии.

 

Эта батарея по сути работает на сахаре, точнее на мальтодекстрине — полисахариде, полученном в результате гидролиза крахмала. Катализатором в такой батарее является энзим. Он намного дешевле платины, которая сейчас применяется в обычных батареях. Такая батарея относится к типу энзимных топливных элементов. Электричество здесь производится путём реакции кислорода, воздуха и воды. В отличии от водородных топливных элементов, энзимы негорючи и невзрывоопасны. А после того, как батарея исчерпает свой ресурс, по словам разработчиков, её можно будет снова заправить сахаром.
О технических характеристиках данного типа аккумуляторов пока известно мало. Утверждается лишь, что плотность энергии в них в несколько раз выше, чем в обычных литий-ионных батареях. Стоимость таких батарей существенно ниже обычных, поэтому разработчики полны уверенности найти им коммерческое применение в ближайшие 3 года. Подождём обещанного.
 

Батарея со структурой граната


А вот учёные из американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете решили увеличить объём обычных батарей, воспользовавшись структурой граната.

 

Разработчики максимально уменьшили размер анодов и поместили каждый из них в углеродную оболочку. Это позволяет предотвратить их разрушение. В процессе зарядки, частицы расширяются и объединяются в кластеры, которые так же помещаются в углеродную оболочку. В результате таких манипуляций, ёмкость этих аккумуляторов в 10 раз превышает ёмкость обычных литий-ионных батарей.
Из опытов следует, что после 1000 циклов заряда/разряда, батарея сохраняет 97% первоначальной ёмкости.
Но о коммерческом применении данной технологии говорить пока рано. Слишком уж дороги в производстве кремниевые наночастицы и слишком сложен сам процесс создания таких батарей.
 

Атомные батареи


И напоследок расскажу о разработке британских учёных. Они решили переплюнуть своих коллег создав миниатюрный ядерный реактор. Прототип атомного аккумулятора, созданный исследователями университета Сюррея на основе трития, производит достаточно энергии для работы мобильного телефона в течение 20 лет. Правда подзарядить его потом уже не получится.

 

 

В батареи, представляющей собой интегральную микросхему, происходит ядерная реакция, в результате которой вырабатывается 0,8 – 2,4 ватт энергии. Рабочая температура батареи составляет от -50 до +150. При этом ей не страшны резкие перепады температуры и давления.
Разработчики утверждают, что для человека тритий, который содержится в батареи не опасен, т.к. его содержание там очень мало. Однако, о массовом производстве таких источников питания пока рано говорить — учёным предстоит провести ещё массу исследований и испытаний.
 

Заключение


Конечно, далеко не все из вышеописанных технологий найдут своё применение, тем не менее, надо понимать, что в ближайшие несколько лет должен произойти прорыв в технологии производства аккумуляторных батарей, который повлечёт за собой всплеск распространения электромобилей и производства смартфонов и других электронных устройств нового типа.

Рейтинг: +3 Голосов: 3 1658 просмотров
Комментарии (11)
Сергей Нохрин # 28 февраля 2014 в 12:34 +1
Очень интересная статья, спасибо. Очень понравились первый и последний вариант батарей. smile Последний напоминает о терминаторе... laugh
Радий Хомяков # 3 марта 2014 в 19:37 0
Ещё один камешек в авоську, подвешенную к шее двс-моделизма. Коптящие тарахтелки будут только у любителей ретро ( и подышать выхлопом). Ну а остальные будут летать на батарейках (ну, может, с имитатором выхлопа и звука двс) :)
СКОРО УЖЕ!!!
Сергей Нохрин # 4 марта 2014 в 01:59 0
Вы ярый противник ДВС? smile
Альберт Куликов # 4 марта 2014 в 07:04 0
Я НИКОГДА не изменю мотору ДВС. Тролейбусы в воздухе точно не для меня!!!!
Сергей Нохрин # 4 марта 2014 в 08:42 0
Ну вот, ещё одна крайность... А вот я придерживаюсь мнения, что и ДВС и электро - хорошо. И планирую иметь в своём "парке" большую бензинку (50 кубов, сейчас уже недалек тот день, когда она у меня будет - строю Velox Revolution II от Orion) и мотопланер с электротягой. В бензинках меня привлекает в первую очередь отсутствие проблем с топливом. В то время, как в больших электросамолётах не напасёшься аккумуляторов - чтобы хорошо полетать, надо иметь их мешок с собой. А цена на них весьма и весьма высока. Да ещё и обновлять надо ежегодно - разоришься. А мотопланер с электротягой - одно удовольствие - я за полётный день (3-4 часа на поле) съедал максимум 1-2 небольших аккумулятора. И такие аккумуляторы служили мне по 2-3 сезона ибо работали в очень щадящем режиме. А вот небольшой (2-2,5м) мотопланер с ДВС я как то с трудом себе представляю. Так что и тот и другой вид тяги имеет право на жизнь при грамотном применении в разных типах моделей. smile

Возможно, ещё среднюю электропилотагу (40...50-го размера) заведу себе со временем.
Альберт Куликов # 4 марта 2014 в 09:03 +1
С планерами я полностью согласен. У самого их несколько разных от 3 до 5 метров. Там электромотор просто необходим. А вот с самолётами и тем более копиями - нет уж извольте! Никогда на копии звук четырёхтактника не заменит ничто. НИКОГДА!!!
Радий Хомяков # 4 марта 2014 в 09:23 0
Я, кстати, вовсе не противник ДВС. Просто все ваши доводы по поводу стоимости акков, их замены каждый год, количества - все это как раз и разбивается о факты в статье. Да ещё и резкое увеличение емкости... Так что, если это правда - вытеснение бензинок неизбежно (ИМХО). А звук, что звук? Уже писал - имитаторы электронные уже давно есть...
Сергей Нохрин # 4 марта 2014 в 09:34 0
А дым-системы?

Кроме того - тех, кто вырастет на имитаторах, возможно это и устроит. Но вот лично меня не обманет никакой имитатор. Какой бы качественный звук он не выдавал. Я не так давно покатался (знакомый дал порулить) на гибриде - в электрорежиме ездил. Ну что сказать... Тихо, комфортно и...скуууучно. Аж чуть не уснул. С таким удовольствием потом пересел на свою родную Эсперку - не описать словами smile С моделями - эмоции те же. По крайней мере - у меня.

ЗЫ Как бы ты отнёсся к резиновой котлете с имитатором вкуса и запаха? laugh Думаю - вряд ли с энтузиазмом. Всё неестественное - неестественно и воспринимается. ИМХО, конечно. Но сама суть статьи вдохновляет! Ибо кроме моделизма ещё много куда есть затолкать те батареи, которые рекламируются. Ноутбуки, телефоны, планшеты, et cetera, et cetera...

ЗЫЗЫ "- ...каша есть.
- Какая?
- Пластиковая..."

© "Кин-Дза-Дза"
Сергей Нохрин # 4 марта 2014 в 09:38 0
И потом, давайте не забывать, что есть себестоимость, а есть коммерческая стоимость. Сильно сомневаюсь, что хапуги от бизнеса будут продавать эти новые батареи по ценам, существенно ниже тех, которые сейчас рулят рынком. Это будет означать крах производства литиевых элементов питания, никелевых и всех прочих. Это во-первых. А во-вторых - а зачем продавать дешевле, если всё равно будут брать хотя бы из-за преимущества в ТТХ? Так что всё то, что написано в статье о ценах - написано исключительно о себестоимости. А коммерсы будут свою ценовую политику диктовать. Это всегда так.
Альберт Куликов # 4 марта 2014 в 10:30 0
А чего вообще-то дискусия разгорелась??? Весь мир давно уже разделился на два лагеря и каждый готов спорить до смерти, отстаивая свою точку зрения. Везде есть преимущества и недостатки. Ну, что к примеру с электротягой. Вот у нас на платце ограничение по шуму 80ДБ. Сын, летая на новой Ф3А модели на полном газу сейчас получает 85Дб. мерил, знаю. Вот и главное преимущество - бесшумность - пропало. Я не говорю о акуумуляторах. Хорошие, по прежнему дороги,плохих га чсезон не хавтают, беременными становятся, распухают... С вертолётами та-же "бодяга". У меня их несколько. аккумуляторы зверски жрут мой бюджет и зарядники тоже.... А вот с бензиновыми моторами вообще нет проблем, кроме шума. Топливо копеечное, ресурс огромный, удовольствия куча...прроблем с эксплуатацией - никаких!! Вот к примеру. Я купил мотор 120см3 бензиновый на мотопланер Фурнье. За всё про всё заплатил 2100 Евро. Мой коллега по клубу на такой-же планер купил электромотор, редуктор, регулятор, пару комплектов аккумуляторов - 1600 евро. Это мнимый выигрыш в 500 евро - обернулся для него новыми аккумуляторами на следующий сезон - 400 евро, и ещё одни на следующий и т.д. А мой Фурнье как летал, так и БУДЕТ летать ещё хоть 10 лет на этом моторе. Вот такие расклады!!
Сергей Нохрин # 4 марта 2014 в 10:46 0
Альберт Куликов:
А чего вообще-то дискусия разгорелась???
Здоровая дискуссия - всегда на пользу. smile