Заряжаются за секунды и служат десятилетия: какие аккумуляторы придут на смену литий-ионным

Литий-ионные аккумуляторы и их разновидности — один из самых популярных типов элементов питания. Их применяют как в электронике вроде смартфонов, ноутбуков и носимых гаджетах, так и в других областях, например в электромобилях. Однако инженеры и учёные почти достигли предела этой технологии, поэтому создавать батареи с более высокой ёмкостью, не увеличивая их размер, становится всё сложнее. Разобрались, какие аккумуляторы могут заменить популярную технологию и как это повлияет на всю современную технику.

Что нужно знать про литий-ионные аккумуляторы

Несмотря на их широкое распространение, у литий-ионных аккумуляторов есть ограничения, из-за которых учёные и инженеры ищут им замену.

Как работают литий-ионные аккумуляторы

Работа литий-ионных батарей основана на движении ионов лития через электролит между двумя электродами, которые называются анодом и катодом. Когда батарея разряжается, атомы лития в аноде теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Эти ионы перемещаются от анода через электролит к катоду, где снова соединяются с электронами.

Во время зарядки происходит обратный процесс: внешняя энергия заставляет ионы лития двигаться обратно к аноду. Важную роль в стабильности всей системы играет графит, используемый в качестве анода. Ионы лития встраиваются между слоями графена в его структуре. Благодаря этому графитовые аноды не сильно деформируются при многократных циклах зарядки-разрядки, сохраняя производительность батареи.

Преимущества Li-ion

Успех литий-ионных батарей объясняется несколькими важными преимуществами:

• Высокая плотность энергии относительно более старых типов аккумуляторов. Плотность хранения достигает 330 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг). Это значительно больше, чем у свинцово-кислотных батарей (около 75 Вт·ч/кг).
• Высокое выходное напряжение. Элементы могут выдавать до 3,6 вольт — в 1,5–3 раза больше, чем у других типов батарей. Это делает их подходящими для мощных устройств, таких как электромобили (Nissan Leaf, Tesla Model S), и даже гибридно-электрических самолётов (Boeing 787).
• Лёгкие и компактные компоненты. Литий — очень лёгкий элемент, поэтому и батареи на его основе получаются лёгкими. Они обеспечивают отличное соотношение заряда к весу и объёму.
• Низкие эксплуатационные расходы. Такие батареи не требуют сложного обслуживания. У них почти нет «эффекта памяти» — явления, когда неполные циклы зарядки-разрядки снижают ёмкость. Для продления срока службы рекомендуется поддерживать заряд выше 15% и заряжать примерно до 85%.
• Низкая скорость саморазряда. Они медленно теряют заряд, когда не используются, — обычно около 1,5–2% в месяц.
• Экологичность. По сравнению со старыми технологиями литий-ионные батареи не содержат высокотоксичных тяжёлых металлов, таких как свинец или кадмий.

© Wikimedia Commons

Схема работы литий-ионного аккумулятора

Недостатки Li-ion

Несмотря на достоинства, у литий-ионных батарей есть и минусы:

• Деградация и срок службы. Хотя они выдерживают много циклов, срок их службы обычно составляет от 300 до 500 циклов, или около 3 лет. Некоторые виды таких аккумуляторов, например литий-железо-фосфатные (LiFePO4), могут служить дольше — более 2000 циклов, или примерно 5–15 лет. Деградация происходит из-за физических изменений в анодных материалах, что может привести к потере производительности.
• Риск возгорания и взрыва. Литий-ионные батареи легко воспламеняются, а при высоких температурах их компоненты могут взорваться. Большинство металлооксидных электродов в них химически нестабильны и могут разлагаться при нагреве, вызывая тепловой разгон.
• Проблемы с производством. Прогнозируемый спрос на хранение энергии превысит 10 тераватт-часов (ТВт·ч), что создаст давление на поставки редких материалов, таких как литий, никель и кобальт. Литий очень активен и в чистом виде в природе не встречается. Более 50% мирового производства кобальта приходится на Демократическую Республику Конго (ДРК), что вызывает опасения по поводу стабильности поставок. К тому же добыча лития сопряжена с тяжёлыми экологическими последствиями — от деградации земель и уничтожения среды обитания животных до загрязнения вод и почв.
• Утилизация отходов. Литий-ионные батареи создают серьёзную проблему с отходами из-за отсутствия выгодных систем переработки. Хотя большинство из них технически можно переработать, экономически это невыгодно.

По мере того как недостатки литий-ионных батарей становятся очевиднее, разрабатываются новые технологии, призванные предложить улучшенные характеристики, безопасность и экологичность.

Как правильно заряжать смартфон, чтобы аккумулятор прослужил дольше

Литиевые альтернативы

Часть из перспективных типов аккумуляторов также используют литий в конструкции. Однако за счёт экспериментов с разными сочетаниями материалов для компонентов получается добиться более высоких характеристик.

Литий-серные аккумуляторы

Принцип работы. Анод из металлического лития, катод — серный композит, органический электролит. Ионы лития реагируют с серой, образуя полисульфиды и в конечном итоге Li₂S.

Преимущества:

• Высокая теоретическая плотность энергии: до 2600 Вт·ч/кг — примерно в 10 раз выше, чем у Li-ion.
• Сера — дешёвый и доступный материал, который потенциально безопаснее и экологичнее лития.

Недостатки:

• Срок службы таких батарей исчисляется десятками или несколькими сотнями циклов. Из-за растворения полисульфидов в электролите и их миграции к аноду ёмкость таких батарей быстро снижается. Однако в марте 2025 года учёные из Международного университета Флориды нашли способ продлить срок службы таких аккумуляторов — они выяснили, что добавление небольшого количества платиновых наночастиц позволяет литий-серным батареям терять менее 10% заряда через 500 циклов.
• Есть проблемы и с другими составляющими батарей — высокое сопротивление серы, нестабильность катода при изменении объёма (до 80%), риск образования дендритных структур на аноде.

Реализация. Активные исследования направлены на устранение этих проблем, но немногие достигли пятого уровня из девяти возможных по шкале готовности технологии TRL. Пятый уровень означает, что работоспособность технологии была продемонстрирована на детализированном макете в условиях, приближенных к реальным.

© Wikimedia Commons

Схема разряда литий-серного аккумулятора

Твердотельные аккумуляторы

Принцип работы: основное отличие от обычных батарей — твёрдый электролит вместо жидкого. Такие электролиты, как правило, стабильнее и устойчивее жидких.

Преимущества:

• Твёрдые электролиты менее склонны к утечкам и возгоранию, стабильны в широком диапазоне температур.
• Такие аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии — потенциально свыше 1000 Вт·ч/кг. Это возможно благодаря использованию металлического лития без риска образования дендритов — похожих на ветви структур, которые уменьшают ёмкость литиевых аккумуляторов.
• Отсутствие жидких компонентов уменьшает объём на 40% и массу на 25% по сравнению с Li-ion.
• Способны заряжаться до шести раз быстрее литий-ионных батарей с жидким электролитом.

Недостатки:

• Производство стабильных и эффективных твёрдых электролитов — дорогой и технологически сложный процесс. Из-за этого твердотельные аккумуляторы в 2–4 раза дороже в производстве по сравнению с обычными литий-ионными.
• Низкая ионная проводимость при температурах ниже 50°C и более короткий срок службы по сравнению с Li-ion.

Реализация. Используются в электромобилях Bolloré Bluecar с 2011 года. Blue Solutions производит коммерческие батареи такого типа для электробусов. Рынок к 2035 году может достичь $9 миллиардов. Разработки ведут компании, специализирующиеся на сульфидных, полимерных и оксидных электролитах.

Литий-воздушные (Lithium-Air)

Литий-воздушные (Li-air) батареи потенциально могут иметь более высокую плотность энергии, чем Li-ion, — 5000 Вт·ч/кг против 250 Вт·ч/кг. Теоретическая удельная энергия неводной Li-air-батареи сопоставима с бензином — примерно 40,1 МДж/кг против 46,8 МДж/кг у бензина. Их лёгкий вес делает их привлекательными для электромобилей и портативных устройств.

Однако у этих аккумуляторов есть серьёзные проблемы:

• Они долго заряжаются.
• Чувствительны к азоту и воде. Такие аккумуляторы используют кислород из атмосферы для работы, однако азот и водяной пар разрушают их.
• Продукт разряда — пероксид лития (Li₂O₂) — плохо проводит ток и засоряет катод.
• Литиевый анод реагирует с электролитом, образуя слои солей, которые мешают работе и могут привести к образованию дендритов.
• Срок службы таких батарей — всего 100–200 циклов из-за деградации катодных материалов.

© Wikimedia Commons

Схема литий-воздушной батареи

Другие альтернативы

Помимо основных претендентов, существует ряд других перспективных технологий.

Натрий-ионные аккумуляторы

Принцип работы. Движение ионов натрия между катодом и анодом через электролит; схожи по принципу с Li-ion-батареями.

Преимущества:

• Натрий — один из самых распространённых элементов, благодаря чему стоимость таких батарей может быть ниже. Для этих аккумуляторов также не требуются дефицитные кобальт, медь и никель.
• Меньший экологический след при добыче по сравнению с литием.
• Натрий-ионные аккумуляторы показывают стабильную производительность при температурах от –20 до 60°C.
• По безопасности они также превосходят Li-ion и показывают более низкий риск теплового разгона благодаря меньшей плотности энергии и стабильности материалов.

Недостатки:

• Плотность энергии у таких батарей ниже, чем у литий-ионных. Поэтому для той же ёмкости потребуются батареи большего размера.
• Пока что такие аккумуляторы испытывают трудности с быстрой зарядкой.
• Учёным также предстоит решить проблемы, связанные с медленным движением ионов натрия и изменением объёма анода.

Реализация. CATL начала массовое производство натрий-ионных аккумуляторов в 2022 году. Компании Faradion и HiNa Battery также работают над созданием и производством подобных батарей.

Графеновые аккумуляторы

На этот тип аккумуляторов возлагали большие надежды учёные и популяризаторы науки. Однако ожиданий он не оправдал. Разберёмся, почему так произошло.

Принцип работы. Графен в основном используется как добавка в компоненты Li-ion-батарей (электроды, электролиты) для улучшения их характеристик.

Преимущества:

• Улучшенные характеристики: потенциал для более высокой плотности энергии (особенно в гибридных графен-кремниевых анодах), быстрая зарядка (около 27 минут), увеличенный срок службы (до 2500 циклов).
• Повышенная безопасность и экологичность: негорючесть, лёгкость, гибкость, основаны на доступном углероде.

Недостатки:

• Высокая стоимость и сложность производства. Масштабное производство высококачественного графена остаётся дорогим и энергоёмким. Возможно, в будущем этот недостаток удастся решить.
• На данный момент эти батареи имеют довольно низкую ёмкость — около 1000 мА·ч. В будущем ситуация может измениться.

Реализация: Samsung SDI и Huawei активно внедряют графен в свои аккумуляторы. Исследования в этом направлении также ведут Северо-Западный университет, Honeycomb Battery Co., Nanotek Instruments, Inc. и Apple, Inc.

Почему прорывные графеновые аккумуляторы так и не появились в реальных гаджетах

Проточные аккумуляторы (Redox Flow Batteries)

Проточные аккумуляторы (RFB) хранят и генерируют электроэнергию посредством окислительно-восстановительных реакций. Ключевое отличие: активные материалы хранятся отдельно от элемента и закачиваются в него по мере необходимости. Два жидких электролита прокачиваются через электрод, где электроактивные частицы реагируют, генерируя ток. Чем больше объём электролита, тем больше энергии хранится, а мощность батареи зависит от размера стека электродов.

RFB особенно подходят для стационарного хранения энергии, например для стабилизации электросети. У них раздельно регулируются ёмкость и мощность.

Суперконденсаторы, или ионисторы

Суперконденсаторы — это устройства для хранения энергии, которые занимают промежуточное положение между обычными конденсаторами и аккумуляторами. Они накапливают заряд с помощью двойного электрического слоя — это тонкий слой заряда на границе между электродом и электролитом, — а также за счёт быстрых электрохимических реакций на поверхности. Благодаря этому они заряжаются и разряжаются гораздо быстрее аккумуляторов, хотя пока уступают им по объёму сохраняемой энергии.

Для разделения заряда в суперконденсаторах, как правило, используются углеродные электроды. Псевдоёмкость возникает, когда ионы из электролита проникают в двойной слой и хранят энергию посредством обратимых реакций, что может увеличить ёмкость устройства до 100 раз.

Суперконденсаторы заряжаются и разряжаются гораздо быстрее батарей и могут выдерживать до миллиона циклов. Они хранят в 10–100 раз больше энергии на единицу объёма или массы, чем электролитические конденсаторы. Однако их плотность энергии ниже, чем у батарей, — всего 0,5–15 Вт·ч/кг.

Основной недостаток суперконденсаторов — высокая скорость саморазряда. Они идеальны для применений, требующих быстрых циклов зарядки/разрядки или высоких пиковых токов: рекуперативное торможение в транспорте, стабилизация питания, фотовспышки, буферизация электросети, дефибрилляторы. Часто используются как дополнение к батареям.

Какие из альтернатив самые перспективные

Оценка готовности технологий к массовому рынку — ключевой момент. Уровень готовности технологии (TRL) показывает, насколько технология близка к массовому производству. Технологии с высоким TRL (например, LiFePO4 и NMC) уже хорошо интегрированы, тогда как технологии с низким TRL ещё на стадии исследований. Из рассмотренных альтернатив наиболее перспективными можно назвать всего три технологии:

• Твердотельные батареи. Ожидается, что этот рынок достигнет 9 миллиардов долларов к 2035 году. Однако широкому распространению мешают сложность производства, высокая стоимость, проблемы с безопасностью и ограничения производительности при низких температурах. Ведётся работа над пилотными линиями и гигафабриками.
• Натрий-ионные батареи. Находятся на ранних стадиях коммерциализации, но показывают значительный прогресс. Дешевизна и доступность материалов делают их перспективными для стационарного хранения энергии и, возможно, для некоторых электромобилей.
• Проточные аккумуляторы. Сильный конкурент для крупномасштабного стационарного хранения энергии, особенно для длительного (4 часа и более), где Li-ion менее экономичны. По прогнозам, этот тип батарей будет показывать совокупный годовой темп роста (CAGR) в течение следующих 10 лет на уровне 30%. Их масштабируемость, безопасность и гибкость привлекательны, несмотря на более низкую плотность энергии и проблемы с затратами.

В итоге

Будущее хранения энергии будет определяться не одной универсальной «батареей-убийцей», а несколькими специализированными решениями. Исследования будут сосредоточены не только на производительности, но и на устойчивости, безопасности и экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла батарей. По мере созревания эти технологии будут всё прочнее входить в жизнь и находить более широкие применения за пределами лабораторий.