На протяжении многих десятилетий ученые ищут способы безопасно использовать мощный, но при этом воспламеняющиеся чистый литий в батареях. Джон Гуденаф (John Goodenough), 94-летний отец литий-ионных аккумуляторов, утверждает, что нашел новое решение.
Ученый и его команда из Техасского университета в Остине разработали первые твердотельные элементы батареи, которые могли бы привести к более безопасной и быстрой зарядке аккумулятора, а также сделать их более долговечными.
Если это действительно так, изобретение может позволить электрическим автомобилям конкурировать с обычными по цене, а также продлить срок работы мобильных устройств и элементов стационарного хранения энергии. Невероятное решение, описанное в статье Гуденафа и трех его соавторов, привлекло огромный интерес со стороны ведущих научно-технических изданий. По его оценкам, батарея такого типа может хранить в 5-10 раз больше энергии, чем привычные литий-ионные аккумуляторы. Однако ученые стали задавать вопросы относительно возможности сохранить такое количество энергии и при этом не нарушить основные законы термодинамики.
Гуденаф сообщил, что в его элементе батареи было достигнуто 10-кратное повышение плотности энергии в одном эксперименте, и 3-кратное – в другом. В одном из последующих тестов удалось достигнуть даже 30-кратного увеличения – 8,5 кВт·ч/кг. При этом ему не потребовались какие-либо дорогие экзотические материалы – ученый и его команда обошлись натрием и серой. Если все-таки Гуденафу удастся разрушить сомнения научного сообщества, его аккумулятор действительно может получить широкое применение.
Неудивительно, что работа Гуденафа и его команды вызвала волнение среди представителей науки. 28 февраля Техасский университет сообщил, что ученые придумали способ внедрения анода из чистого лития или натрия, который из-за своего энергетического потенциала был главной целью на протяжении десятилетий. Ключевым фактором, позволившим этому случиться, стало использование стекла в качестве электролита, которое соединило два электрода батареи и способствовало перемещению ионов для выработки электричества.
Однако другие ведущие исследователи в этой области скептически отнеслись к открытию Гуденафа. Они уверены, что если внимательно изучить исследование, то станет ясно, что ученый ставит под сомнение законы термодинамики, которые являются основополагающими для разработки аккумуляторов уже более полувека.
Длинная карьера Гуденафа определила современную индустрию батарей. Исследователи полагают, что его измерения точны. Но никто, кроме Гуденафа и его коллег, кажется, не понял его новую концепцию. Сообщество исследователей не желает открыто бросить вызов человеку, определившему развитие индустрии. «Если бы кто-то другой опубликовал такую статью, я бы вряд ли смог найти вежливые слова», – отмечает профессор из Принстонского университета Даниэль Штейнгарт (Daniel Steingart).
Гуденаф не отвечает на письма, но в заявлении, опубликованном на сайте Техасского университета, где он продолжает работать, он сказал: «Мы считаем, что наше открытие решает многие проблемы, которые присущи современным батареям. Стоимость, безопасность, плотность энергии, уровень заряда, разряда и жизненного цикла являются критическими для автомобилей, работающих от батареи, которые пока не могут получить широкое распространение». Кроме того, ведущий автор исследования Хелена Брага (Helena Braga) в ответных письмах утверждает, что изобретение команды действительно работает.
Несмотря на все его заслуги, последняя работа поставила научное сообщество в тупик. В статье так и не сказано, как новое изобретение Гуденафа может хранить энергию? Известные законы физики твердого тела диктуют, что для получения энергии из различающихся материалов необходимо производить различающиеся электро-химические реакции в двух противостоящих электродах. Эта разница создает напряжение, позволяя энергии сохраняться.
Но элементы аккумулятора Гуденафа и его команды состоят из чистого лития или натрия с обеих сторон. Следовательно, напряжение должно быть равно нулю. Ученый сообщает, что плотность энергии увеличена в несколько раз по сравнению с привычными батареями. Откуда берется энергия, если нет реакции, протекающей в электродах? В научной работе этот вопрос оставлен без ответа.
Профессор Штейнгарт провел анализ работы Гуденафа и назвал скрытую в элементе энергию «аномальной способностью». И он также спрашивает, не просочился ли кислород в элементы батареи, что могло непреднамеренно создать литий-воздушную батарею, что объясняло бы такую плотность энергии. Литий-воздушные батареи – это второй Святой Грааль в науке, еще более неуловимый, чем анод из чистого лития. Еще никому не удавалось сделать такой элемент, который продержался дольше нескольких циклов.
Хелена Брага, в свою очередь, отрицает «литий-воздушное» объяснение, настаивая на том, что их элементы батареи являются твердыми. Также она отмечает, что в ходе эксперимента их аккумулятор выдержал сотни циклов – дольше, чем любой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор.
В течение почти четырех десятилетий Гуденаф являлся ключевой фигурой в мире современных аккумуляторов. В 1980 году он изобрел литий-кобальт-оксидный катод, который поступил в продажу в 1991 году. Однако с тех пор те аккумуляторы, которые массово поставляются на рынок, оставляют желать лучшего. Современная технология создания батарей является серьезным препятствием для развития технологий будущего, включая массовое производство электромобилей. Батареи для них слишком дорогие и они долго заряжаются.
Комментарии (60)
Zonzen
23.03.2017 11:36+7Мне кажется дедушка фейковые вбросы делать не будет, слишком видная и значимая фигура.
Hellsy22
23.03.2017 11:44+5Дедушке более девяноста лет. Идею использовать кобальтит лития он (а точнее — группа под его руководством) предложил почти сорок лет назад.
ElvinFox
23.03.2017 12:29-4Если идея рабочая, давно бы получили патент и бегали с презентациями…
psman
23.03.2017 13:06Получить патент на нечто что в целом то кто угодно сделать может — это просто. Нужно получать оптом патенты на процессы создания материалов, перекрывая таким образом конкурентам сразу варианты развития. Как патент на двойной клик.
cptnFlinn
23.03.2017 12:30У Айзека Азимова есть один показательный рассказ на тему значимых и не очень значимых фигур, в той или иной сфере. Я почему то сразу о нем вспомнил. «Зеркально отражение» — есть в аудиоформате от Модели для Сборки.
SchmeL
23.03.2017 14:54Мне почему-то вспомнился Никола Тесла с его автомобилем, тоже говорили что он «того» — нарушает законы.
Anarions
23.03.2017 15:13+2У Теслы и вправду было много фантазий далёких от истины. Не умаляя его реальных заслуг — он крайне популярен среди околонаучных фриков.
Pakos
23.03.2017 16:36+1«Нарушает законы» — в смысле введение в заблуждение для получения финансирования.
shodan_x
23.03.2017 11:37+4Вам не надоело читать о прорывах, по 10 раз в день?
Посмотрите новости 2010-го года к примеру… там тоже столько всяких прорывных ноу-хау… а по факту, все это оказалось пшиком…
Из чего батареи только не делали… даже из Никеля-63 пытались. Все это подавалось как очередной «прорыв», и загибалось не успев начаться.Tatooine
23.03.2017 11:50+2Потому что разработать технологию это одно, внедрить — другое.
Bluewolf
23.03.2017 12:46+4Не так. Разработать прототип, который работает в течение 1 часа в виде установки размером с холодильник (хотя вещества аккумулятора там как раз 1 кг) и требует запуска десятком ученых — это одно, а разработать технологию аккумулятора на новых принципах — другое.
jex
23.03.2017 13:17+2Посмотрите как изменилась ёмкость батарей с 2010 года.
shodan_x
23.03.2017 14:03-2И как? Да почти никак не изменилась. Только китайцы стали писать больше ватт-часов, на те-же АКБ.
Нам-же с завидной регулярностью обещают практически «эволюционный прорыв». А то что этот прорыв воплотить в реальность нереально чисто экономически, об этом как-то все забывают. Хороший пример, «атомная батарейка на том-же пресловутом никеле-63». Оно приколько на бумаге, а по факту получаем энергоемкость меньше CR2032 и цену на 5-7 порядков выше.
Zel
24.03.2017 12:51У меня тут профессор Русин Алексей Иванович недавно был. Так вот, он сказал следующее: Китайцы (и не только они) в два абсолютно одинаковых свинцово-кислотных аккумулятора (по технологии, количеству и качеству пластин и пр., собранных в один день, наконец) могут налить электролит немного разной плотности. В один, скажем, 1,27, а во второй — 1,25. Так вот первый аккумулятор будет выдавать ёмкость немного выше второго. Зато второй будет работать дольше. Так что по поводу китайцев не совсем верное замечание. Нужно смотреть на все показатели, которые указываются на аккумуляторе (и даже не те, которые не указываются на упаковке, но должны указываться в тех.документации). А если Вы покупаете товары на Алиэкспрессе — то будьте готовы ко всему
tnenergy
29.03.2017 19:00На какой бумаге хороша "атомная батарейка на никеле 63"? Никто в здравом уме не будет обещать тут прорыва — это хорошее узкое нишевое решение, например для кардиостимуляторов вместо тритиевых батареек, которые надо каждые несколько лет менять (с помощью хирургической операции).
darkfrei
24.03.2017 00:17+1Посмотрите как изменилась ёмкость батарей с 2010 года.
В два раза больше масса, в два раза больше ёмкость. Нужно прежде всего смотреть удельную ёмкость в пересчёте на килограмм. Сейчас все смартфоны — 80% батарея, крошечная плата всей электроники и дисплей.Hellsy22
24.03.2017 13:45Xiaomi RedMe 2, 158г. Батарея — 55г, 3020мА*ч, 4.4В
Doogie X5, 165г. Батарея 40г., 2400мА*ч, 4.2В
Эта феерическая чушь про 80%, транслирующаяся от ресурса к ресурсу — уже утомила. Если у вас нет весов, вы могли бы просто найти в интернете вес смартфонов и их батарей.darkfrei
25.03.2017 12:41Само собой корпус не считается, материал корпуса и его толщина не влияют на характеристики телефона.
Фразу про 80% не слышал, сам сужу конкретно по этому видео: https://youtu.be/EB7MnrESM1g?t=4m44s
burikmc
23.03.2017 13:54-2Может эти технологии уже работают на «благо государства» и строго засекречены?
FenixArt
23.03.2017 20:32А вы посмотрите насколько батареи шагнули с 2010 года, емкость, их размер, скорость заряда…
В 2010 в моей мотороле была батарея на 1000 с лишним милиампер, при той же толщине мой нынешний Сяоми Редми 3 имеет батарею на 4000 милиампер.
Прогресс на лицо друг мой, и все эти новости становятся реальностью, просто плавно и со временем, мы просто пользуемся этим всем и не задумываемся насколько все быстро вокруг нас развивается.
gapel
23.03.2017 12:51+2Извините, а в чем информационное содержание статьи? Не все верят словам ученого? Пока не будет независимых тестов и измерений — никто и не обязан верить.
HOMPAIN
23.03.2017 12:57-6«Однако ученые стали задавать вопросы относительно возможности сохранить такое количество энергии и при этом не нарушить основные законы термодинамики.»
Это никакие не законы, а вмего лишь статистическое усреднение. Они и называются не «законы», а «начала». Никто не запрещает их нарушать и это сделать достаточно просто в микромире, когда основной становится квантовая физика. А химия как раз работает на квантовой физике.HOMPAIN
24.03.2017 03:33+5Для минусующих. Пара примеров:
1)Лазерное охлаждение. Вещество облучается с ветом с частотой w1 и потом переизлучат на частоте w2. При этом w2>w1 и вещество излучает большую энергию чем поглащает. Т.е. получение энергии из тепла без холодильника.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерное_охлаждение
2)Сверхпроводимость, если рассматривать газ проводящих электронов в сверхпроводнике. Когда сверхпроводимость достигается, то в ней все электроны выравниваются по скоротси. Т.е. энтропия уменьшилась. И такое состояние устойчиво и энергитически выгодно для сверхпроводника.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Куперовская_пара
Уверен есть ещё куча других приеров, эти конкретно из моей специальности.
StanislavHabr
23.03.2017 14:22+4Почитал я тут оригинал… Странновато всё выглядит. Получается, что переносчиками заряда от анода к катоду являются катионы лития, ибо в результате полного разряда с анода полностью исчезает металлический литий, но зато появляется литиевое покрытие на катоде. Растворению анода соответствует полуреакция окисления:
Li --> Li+ + e-
Ей должна соответствовать полуреакция восстановления на катоде, например, такая:
S8+ 16 e- --> 8 S2-
Однако, в статье утверждается, что на катоде сера не восстанавливается! А восстанавливается литий:
Li+ + e- --> Li
То есть слегка такой вечный двигатель.
Вообще, в классических аккумуляторах такое сделать можно — в так называемых концентрационных гальванических элементах, где разница потенциалов обусловлена разной концентрацией одного и того же иона в прианодном и прикатодном пространстве. Но потенциал там слабенький — всего 0,059 вольта при разнице концентраций в 10 раз (вот тут уже могу напутать, ибо электрохимией уж 10 лет как не занимался). Возникали у меня мысли, что во всей этой катавасии запутано так называемое стекло — сплав оксида лития с хлоридом лития с небольшой добавкой оксида бария, но исследователи пишут, что стекло в реакциях не участвует. В порядке бреда могу предположить, что образуется уникальное интерметаллическое соединение меди состава Li2Cu, где медь восстановлена до 2-.
Плюс, авторы утверждают, что полученный аккумулятор работает слегка как конденсатор, но там для меня уже дремучий лес.
А вообще — желаю исследователям успеха как в объяснении работы полученной батарейки, так и в выходе на рынок, елси всё, что они продемонстрировали — правда.
kimich
23.03.2017 14:45Я не хочу бросать тень сомнения на мэтра и гуру аккумуляторной идеологии, но с другой же стороны, дяденьке 90 лет. Достаточно большая редкость сохранить крепкий и трезвый ум к такому возрасту. Призываю лишь к скептическому анализу. И проверять любое авторитетное профессорское мнение не менее тщательно, чем каждого аспиранта.
seminole
23.03.2017 16:27+1Можно посмотреть его интервью 2016 года на youtube и получить представление насколько крепок и трезв его ум.
Я бы если и ставил под сомнение то что он говорит то не по причине (не)крепкости ума.
stalinets
23.03.2017 17:14Хотелось бы, конечно, прорывного аккумулятора. Но увы, каждый год читаю подобные статьи про прорывные изобретения, а воз и ныне там.
Почему так получается? Тему прорывов кто-то постоянно греет, а прорывов нет и аккумуляторов нет.mobilesfinks
23.03.2017 18:36Пишут про открытие новой технологии. От технологии к массовому производству период несколько лет.
У меня сейчас батарейка в телефоне 4200мАч, примерно такая же батарейка всего 4 года назад — 2000мАч
Движение идёт, только просто очень медленно. А так, то за последние годы ёмкость аккумуляторов растёт очень быстро.Azya
23.03.2017 19:24+1Емкость конечно растет, но не в 2 раза за 4 года, вы либо сравнивали аккумуляторы из разных ценовых категорий, либо они совсем не примерно одинаковые.
mobilesfinks
23.03.2017 19:31Согласен, не совсем корректное сравнение, но по размерам они примерно одинаковы. Так что сравнивать на вскидку считаю допустимым.
FYI: Сравнивал SGS 3 и Xiaomi Redmi 3s
В данный момент по цене они примерно одинаковы, а вот по начинке Redmi в 2 раза мощней S3.Azya
23.03.2017 21:42+1по размерам одинаковые телефоны, а если заглянуть под крышку, то видно, что размер батареи не сопоставим. Это говорит о том, как продвинулась миниатюризация электронных компонентов а нео прогрессе аккумуляторов.
mobilesfinks
24.03.2017 01:40+2Спасибо, подтолкнули меня к более глубокому изучению данного вопроса )
Пришлось поискать, мало где есть, но нашёл размеры аккумуляторов. Высчитал объёмы. Посчитал ёмкость на единицу объёма.
Да, не в 2 раза плотность увеличилась, а всего в ~1,28 раза в пользу более свежего аккумулятора.
тем не менее это всё же говорит о том, что плотность медленно но верно растёт. К сожалению не теми темпами, что обещают.
Denkenmacht
23.03.2017 19:01+1О чем вообще разговор, эксперимент должен быть повторяемым, воспроизводимым. Смысл рассуждать про законы, надо просто другим командам воспроизвести эксперимент, а не прикидывать степень адекватности и вменяемости дедушки. Для этого дедушка должен дать полное описание и формулы, если он претендует на открытие. А если пока не претендует, то хотя бы показать рабочие прототипы. Вот после этого можно о чем-то говорить.
darkfrei
24.03.2017 00:29+1Пофиг на теорию, если эксперимент с идеальным аккумулятором и эм-драйвом довезёт людей до соседней звезды. Теорию на квантовом компьютере подобрать по пути можно будет.
QWhisper
24.03.2017 00:34Ну там просто дальше пойдут отмазки, жидорептилоиды мешают, нужна особая форма лития, которую синтезируют только в нашей лаборатории и пр.
dimm_ddr
24.03.2017 12:14У конкретно этого ученого таких отмазок быть не должно все-таки. По-крайней мере я очень на это надеюсь. Скорее всего просто либо не успели опубликовать — ждут какой-нибудь журнал посолиднее или конференцию, честно говоря не знаю как в этой области принято. Либо просто никто не успел проверить — технически сложно, требования к точности большие и т.д. Есть еще шанс что проблема с патентами впрочем.
ShabanovYT
24.03.2017 00:34+2Что страшного случится если произошла ошибка? Или дедушка решил приколоться. Но вот два случая, которые я считаю трагическими:
Свечение светодиода впервые наблюдалось в 1905 году. Ученый, который его получил (к сож. не помню кто) почесал репу, посмотрел в потолок, объяснения не нашлось и про это забыли.
В 72 на семинаре Гинзбурга двое аспирантов сообщили о наблюдении высокотемпературной сверхпроводимости в сплавах меди и иттрия. Гинзбург сделал им выговор: у вас мол в печь попал кислород.
На следующем семинаре: «все исправили, шеф, сверхпроводимости не обнаружено»
Наверное подобные случаи имели место быть довольно часто и самое печальное, что возможно про что-то так и не вспомнили. Какой нибудь эффект антигравитации при пропускании тока через вращающееся магнитное поле был бы сейчас весьма кстати. даже если ему нет научного объяснения, пока.QWhisper
24.03.2017 08:54-1вы готовы подняться на летающей машине на 100м над землей, зная что инженеры построившие её, понятия не имеют как она работает? Может солнечная радиация на нее влияет, или магнитные поля планеты. Может Гольфстрим который рядом, а если отлететь то упадешь? Может угол наклона нельзя более 2 градусов на высоте в 99 метров? А может это парад планет и она через 3 минуты рухнет когда он закончится? Вы не можете построить надежную предсказуемую технику, не понимая принцип работы этой техники. Без него это будет игра в угадайку, что в современном мире уже не приемлемо. Никто не будет стратифицировать самолет, который может упасть фиг пойми от чего в любой момент просто так.
Areso
24.03.2017 10:46Во многих наукоемких областях многие вещи выглядят практически "магией" стороннему наблюдателю. Знаний стало так много, что невозможно знать всё. То, что нельзя объяснить, можно просто описать. Проделать тысячи экспериментов и описать результаты. И если с 99,999% вариантов использования покрыто экспериментами, то я соглашусь сесть в такое летающее авто, если это дешево и удобно. Да, в 0,001% остальных случаях, не покрытых экспериментами, автомобиль может упасть, а может и не упасть. Я бы принял такой риск, зная, что риск, что меня собьет обычный автомобиль на дороге куда выше.
darkfrei
25.03.2017 12:47Да и системы безопасности в таких летающих повозках должны быть на высоте, отказ двигателей не должен быть смертельным.
Areso
24.03.2017 10:48Если emDrive подтвердит свою работоспособность на орбите и покажет удовлетворительные результаты по масштабируемости, его будут использовать независимо от того, найдет фундаментальная наука его принцип действия или нет. Для его использования достаточно будет лишь факта выгодности использования.
Scarred
24.03.2017 10:49На первой — не готов, но если десяток другой машин протестирую на разных континентах, разных высотах, разных температурах — то уже можно задумываться как это можно использовать…
По нашим дорогам достаточно высоты в несколько десятков сантиметров — и комфортность езды шагнет очень далеко. И даже если навернешься с полуметра даже на скорости — шансы выжить очень хорошие.
Ну а на 100 метрах пусть экстремалы летаю.
dimm_ddr
24.03.2017 12:18Речь не о использовании, а о дальнейшем изучении в первую очередь. Если нет теоретического обоснования, но есть практический факт, то нужно исследовать дальше, а не отмахиваться "этого не может быть". Но если все возможные варианты уже перепробовали, но объяснения так и не нашли, то использовать скорее всего будут, если это будет эффективно. Смысл еще и в том, что за время испытаний по большей части будут найдены границы применимости и перечисленных вами вариантов не произойдет, либо о них будет известно. Но вообще это крайне маловероятно чтобы стабильно повторяемый эффект не получил таки объяснения.
plm
24.03.2017 14:52Я так понимаю, что современные лекарства «методом тыка» находят (скрининг). И долго потом тестируют, и тоже поначалу никаких идей «как она работает».
lingvo
8,5кВтч/кг — это 30МДж — столько же энергии, сколько содержится в кило бензина. С учетом КПД так вообще на 50% больше.
Неужели прорыв не за горами?