Погляд на майбутнє мобільних джерел енергії

Глобальний успіх учених: літій-іонні акумулятори

Час від часу з'являються нові технології, що радикально змінюють життя людей, - до їх числа належить і технологія літій-іонних акумуляторів. Початковим поштовхом до їхньої появи став пошук у 70-х роках минулого століття альтернативи звичайним, неперезаряджаємим елементам живлення, що широко використовувалися в касетних плеєрах та іншій побутовій електроніці. Літій-іонні акумулятори з самого початку зацікавили дослідників завдяки низці переваг: високій щільності енергії, компактній конструкції та відсутності ефекту пам'яті.

Однак серйозними проблемами, з якими належало розібратися вченим, були легка займистість таких акумуляторів і схильність до виникнення внутрішньоелементних коротких замикань. Робота над їх вирішенням триває і зараз. Але вирішальним проривом стали результати наукових досліджень Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенлі Віттінгема (Велика Британія) та Акіри Йошино (Японія), за які вони 2019 року отримали Нобелівську премію з хімії. 1983 року було виготовлено перший літій-іонний акумулятор, що допускав багаторазовий заряд, а 1991 року компанія Sony вивела цю техніку на ринок. Відтоді почалася нестримна тріумфальна хода, що переконливо підтверджується і цифрами: 2019 року обсяг світового ринку літій-іонних акумуляторів становив близько 40 млрд євро. За прогнозами, обсяг ринку до 2032 року може досягти від 139,6 до 446,85 мільярда доларів США, зі щорічним середньорічним темпом росту (CAGR) від 14,2% до 23,33% протягом періоду з 2023 по 2032 роки​.

Від гаджетів до великогабаритної прибиральної техніки:
акумулятори відкривають нові можливості в усіх галузях

Мобільні телефони, цифрові камери, ноутбуки або кишенькові ліхтарі: у світі майже не залишилося електронних пристроїв, у яких не застосовувалися б літій-іонні акумулятори. Головними їхніми перевагами перед звичними нікель-кадмієвими або нікель-металогідридними акумуляторами є менші розміри та вага за високих значень ємності та енерговіддачі. Ці переваги відіграють важливу роль і під час експлуатації електроінструментів, садової техніки, пилососів і низки інших апаратів побутового та професійного призначення.

Ще однією сферою широкого застосування літій-іонної технології, зумовленого можливістю з'єднання окремих акумуляторних елементів у батареї великої ємності, є електрифіковані засоби пересування - від велосипедів, скутерів, сігвеїв тощо до гібридних автомобілів, електромобілів та електробусів.

Завдяки своїм компактним розмірам, тривалому терміну служби і відсутності необхідності в будь-якому обслуговуванні літій-іонні акумулятори знаходять застосування навіть як енергоакумулятори в сонячних енергоустановках. Звичайні для побутового використання 6000 циклів заряду-розряду відповідають приблизно 20 рокам експлуатації, тобто практично ресурсу самих сонячних батарей.

Сьогодні літій-іонні - а завтра? Перспективи розвитку акумуляторних технологій

Зрозуміло, що літій-іонна акумуляторна технологія, яка вже завоювала настільки широке поширення і послужила основою для створення цілої низки нових бездротових рішень, поки не має наміру поступатися своїми позиціями. Однак на шляху її подальшого розвитку є перепони. По-перше, найближчими роками попит на енергоакумулятори для різних засобів пересування зросте настільки, що його навряд чи вдасться задовольнити тільки за рахунок однієї, вже існуючої технології. По-друге, вже зараз ставляться завдання значного підвищення енергоємності та скорочення часу заряду, розв'язання яких, навіть незважаючи на потенціал подальшого вдосконалення літій-іонних акумуляторних елементів, може потребувати інших підходів. І, нарешті, в середньостроковій перспективі виникнуть проблеми з доступністю необхідної сировини, насамперед кобальту і літію.

Пошуки альтернативних рішень почалися вже давно. До їх числа належить, наприклад, батарея з твердотілим електролітом замість звичайної рідкої електропровідної речовини. Такі батареї мають забезпечувати щонайменше 500-кілометровий пробіг електромобілів від одного заряду і заряджатися за лічені хвилини. Наразі тривають активні дослідження в галузі необхідних для них матеріалів і технологій виробництва. Ще одним перспективним напрямком є створення магнієвих батарей, покликаних перевершити нинішні літій-іонні в енерговіддачі та надійності за меншої вартості. До того ж необхідна для них сировина - магній - трапляється на нашій планеті в тисячу разів частіше, ніж літій, і допускає більш просту повторну переробку.

Чи скрізь необхідні акумулятори? Питання повторного перероблення та охорони довкілля

Звернувшись на закінчення до серйозної теми екології та сталого розвитку, для літій-іонної акумуляторної технології можна підвести такий баланс. З одного боку, її застосування в транспортних засобах або сонячних енергоустановках, безсумнівно, сприяє заощадженню ресурсів і охороні навколишнього середовища. З іншого боку, спостерігається практично необмежене розширення сфер застосування акумуляторів - їх встановлюють уже в кросівки з підсвічуванням, джемпери, що блимають вогнями, або світлодіодні прикраси. І цей тренд, навпаки, суперечить ідеям розумного використання ресурсів. Критичним є і питання переробки відходів, оскільки наявні нині технології не дають змоги впоратися з колосальними обсягами автомобільних акумуляторних батарей, що виробили ресурс.

Утім, у зв'язку з прогнозованим дефіцитом і, відповідно, подорожчанням кобальту і низки інших сировинних матеріалів уже досліджуються можливі рішення проблеми повторної переробки. Наприклад, кобальт, нікель і мідь можна виплавляти. Інший підхід передбачає подрібнення легкозаймистих батарей в атмосфері азоту і подальше виділення з подрібненого матеріалу графіту, марганцю, нікелю і кобальту. Повторне використання цих речовин для виробництва тягових акумуляторних батарей дає змогу зменшити еквівалентні викиди CO₂ на 40%, як порівняти з їхнім виготовленням із нової сировини. Існує й багато інших варіантів, що переслідують єдину мету - повторне використання якомога більшої частки вторинної сировини з якомога меншими енерговитратами.

Нарешті, існує і ще один підхід, що розробляється під девізом «Друге життя». Він передбачає використання акумуляторів, що виробили ресурс, як стаціонарних накопичувачів енергії. Річ у тім, що після закінчення приблизно 8 - 10 років експлуатації акумуляторних батарей в електромобілях знижується їхня енергоємність і, відповідно, дальність пробігу від одного заряду. Це змушує замінювати батареї попри те, що вони ще зберігають працездатність. Тому деякі автовиробники планують використовувати батареї зі зниженою зарядною ємністю для спорудження великих стаціонарних енергоакумуляторів.

Таким чином, акумуляторні технології розвиваються за багатьма напрямками, і шлях у майбутнє обіцяє бути захоплюючим.

Kärcher і акумуляторні технології:

4 запитання д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центру енергоакумулюючих систем

Скільки років минуло з моменту появи на ринку першої акумуляторної техніки Kärcher?

Продукти з акумуляторним живленням, що забезпечують користувачам очевидні переваги бездротових технологій, присутні в нашому асортименті вже понад 30 років. Всі ці роки ми ретельно аналізували, в яких саме сферах застосування акумуляторна техніка забезпечує найбільшу ефективність, і займалися питаннями практичної реалізації нових рішень.

Зараз, у рамках концепції «Бездротовий всесвіт Kärcher», на ринок виводяться дві нові акумуляторні платформи. Чому приділялася головна увага при їх розробці?

Ми враховували цілу низку важливих аспектів - від підвищення енерговіддачі та часу роботи від одного заряду до відображення з хвилинною точністю часу, що залишається до кінця процесу заряду, або запасу часу роботи апарату, що приводиться в дію акумулятором. Споживачам пропонуються акумулятори різної ємності з напругою 18 або 36 В. При цьому всі акумулятори кожної платформи сумісні з усіма апаратами, розрахованими на відповідну напругу живлення.

А які нові акумуляторні продукти з'являться на ринку?

У сегменті продуктів для дому та саду нова акумуляторна техніка пропонується на ринку вже з весни 2019 року. Зокрема, до неї належать апарати середнього тиску, акумуляторні господарські пилососи, а також різні садові інструменти. Для професійних користувачів продажі нової акумуляторної техніки, як-от пилососів вологого та сухого прибирання та інструментів для догляду за зеленими насадженнями, розпочнуться 2020 року. А ще варто згадати нещодавно представлений нами перший у світі професійний акумуляторний апарат високого тиску.

Літій-іонні акумулятори поки що не здають свої позиції, але поява нових акумуляторних технологій - лише питання часу. Як реагує на це Kärcher?

Концепція наших акумуляторних платформ така, що нові типи акумуляторних елементів без проблем вписуються в існуючий інтерфейс. Для нас це було дуже важливо - адже ми завжди прагнемо запропонувати клієнтам перспективні рішення, орієнтовані на майбутнє.