Сверхбыстрые железо-никелевые аккумуляторы

11 июля 2012 в 11:00

В отличие от традиционных ныне литий-ионных аккумуляторов, железо – никелевые батареи не пользуются таким спросом, так как не могут удовлетворить современные требования к зарядке и разрядке.

Их история началась еще в XIX веке, тогда их только придумали, а в массовое производство и продажу они попали в начале XX столетия, когда этим процессом руководил еще Томас Эдисон. В то время, ими был оснащен Detroit Electric – электромобиль со средней дальностью пробега 130 км и максимальным его значением до 340 км (что почти достигает современные показатели). Этот автомобиль (105-летней давности), очень любила жена Генри Форда, которая держала его для личного пользования и считала, что он самый лучший среди автомобилей, как ее мужа, так и любых других производителей. Но, отличительной чертой бывшего электромобиля было то, что он был оснащен не литиево-ионными батареями, которые были дорогими и работали всего шесть лет, а железо–никелевыми, имеющими ряд преимуществ. Так, они были намного меньше в размерах, обладали устойчивостью к тряске и вибрациям, ударам и действию высоких температур. Такими качествами они обладают и сейчас.

Если говорить о безопасности использования, то современные литиево-ионные батареи в этом году зарекомендовали себя не с лучшей стороны, когда на испытаниях Chevrolet Volt, они взорвались и привели к повреждениям авто и его пассажиров. Что касается железо - никелевых батарей, то их как раз использовали в немецкой баллистической ракете V-2 и крылатой ракете V-1 из-за их способности выдерживать нагрузки и противостоять вибрациям. С такой точки зрения они лучше тех, которые используются сегодня, и цена на их производство и эксплуатацию также меньше.

Но, как в любой технологии, у них есть свой недостаток, и достаточно серьезный – мгновенная отдача энергии составляет всего-навсего 100 Вт/кг, а это значит, что машина должна иметь их не менее полутоны, чтобы добиться мощности 50 кВт. В сравнении с литиево-ионным аналогом, у последнего этот показатель в 2,5 раза выше, а вес необходимых аккумуляторов такого типа настолько же меньше. Конечно, нельзя утверждать, что они лучше, так как их безопасность теперь вызывает сомнения. Например, в уже известном Chevrolet Volt, чтобы вместить все необходимое количество батарей пришлось поместить часть из них в самом салоне на месте среднего заднего сиденья. Причем никто теперь не дает гарантии, что они не взорвутся случайно, как уже было прежде.

Решая этот вопрос, ученые из Стэнфордского университета, США, смогли создать такой вариант железо - никелевых батарей, которые могут заряжаться и разряжаться со скоростью суперконденсатора.

Суперконденсаторы тоже имеют свое применение. Даже бывшие KERS и Honda FCX Clarity использовали их в «Формуле-1», так как у них мгновенная отдача энергии, хотя емкость намного меньше.

Стэнфордские ученые пошли путем выращивания железного электрода из на графеновой одноатомной (в толщину) пластинки, и электрода из гидроксида никеля из углеродной нанотрубки со стенками, состоящими из 10 слоёв. Полученная таким образом железо – никелевая батарея, полностью зарядилась за 120 с, а отдача энергии произошла всего за 30 с. По отношению к обычным параметрам таких аккумуляторов, время, необходимое на зарядку и разрядку, снизилось в 1000 раз. Эффект невероятный, но его вполне легко объяснить: примененные углеродные подложки очень хорошо влияют на процесс поступления электронов на электроды и оттуда к потребляющему прибору, повышая эффективность работы батарей.

Но, не смотря на новшества структуры, энергетическая плотность осталась прежней, на уровне 50 Вт*ч/кг, тогда как у лития этот показатель в 4-5 раз выше. Хотя гибридным авто это не самое главное, они сильнее нуждаются в быстрой зарядке и отдаче электричества аккумулятором. Тогда как вес литиевых батарей и их емкость играет роль только в вопросе обеспечения движения на электрическом питании при низких скоростях.

К тому же, новые батареи можно использовать еще, как и одно из накопительных устройств. Известно, что литиевые батареи имеют длительную зарядку, а во время регенеративного торможения могут накапливать энергию от вращения колес только в случае плавного нажатия на педали. Если водитель не рассчитает силу, и нажмет на тормоза быстрее, то ничего не выйдет. При этом активируются дисковые тормоза, которые быстро изнашиваются и превращают энергию в простой нагрев окружающего воздуха и используемой тормозной жидкости. В сравнении с этим, самая маленькая железо – никелевая батарея весом 5 или 10 кг, смогла бы повысить эффект использования регенеративного торможения и даже улучшить пиковое питание электромоторов во время разгона.

В случае производства таких аккумуляторов по низкой цене, электромобили и гибриды могли бы массово перейти на их использование.