Учёные из Стэнфордского университета (США) создали сверхбыструю версию железо-никелевых батарей, заряжающихся и разряжающихся со скоростью суперконденсаторов. Если производство таких аккумуляторов окажется относительно недорогим, электромобили и гибриды ждут серьёзные перемены.
Железо-никелевые аккумуляторы появились в XIX веке, а их масштабные продажи начались в начале XX столетия, причём занимался этим проповедник тогдашнего электромобилестроения Томас Эдисон. Кстати, оснащённый ими Detroit Electric, выпуск которого начался 105 лет назад, имел гарантированную дальность в 130 км пробега и максимальную (продемонстрированную на испытаниях в Детройте) — в 340 км, что равно нынешним показателям. (Заметим, что жене Генри Форда такое авто нравилось больше продукции её мужа и его конкурентов, отчего она с удовольствием использовала Detroit Electric в качестве личного транспорта.) В отличие от современных электромобилей, его аккумуляторы не были литиевыми, значительно более дорогими и нуждающимися в замене каждые шесть лет. Железо-никелевые батареи не только имеют ресурс в 30–50 лет, они ещё и значительно компактнее, исключительно устойчивы к вибрациям и тряске, а также к ударам и высоким температурам.
Тут не будет лишним напомнить, что серийные литиевые аккумуляторы гибрида Chevrolet Volt вполне успешно взорвались на испытаниях в 2012 году, покалечив несколько человек. Именно из-за устойчивости к вибрации и нагрузкам железо-никелевые батареи применялись в своё время как источник питания в немецкой крылатой ракете V-1 и баллистической ракете V-2. Короче говоря, казалось бы, это идеальная альтернатива литиевым: они даже в производстве дешевле, а в пересчёте на год службы цена их почти на порядок меньше.
Благодаря наращиванию компонентов железо-никелевых батарей на графене и углеродных нанотрубках скорость зарядки и отдачи энергии повысилась на три порядка (изображение: Hongjie Dai et al.)
И тем не менее у них есть минус, и большой. Мгновенная отдача энергии не превышает 100 Вт/кг — следовательно, в электромобиле мощностью хотя бы в 50 кВт их понадобится не менее полутонны. У литиевых батарей показатель в 2,5 раза выше, то есть абсолютный вес аккумуляторов на их базе может быть настолько же ниже. Нельзя сказать, что литий в этом отношении вполне эффективен: в том же Chevrolet Volt, чтобы разместить все батареи, их пришлось вынести в салон, на место среднего заднего пассажира. (А вдруг рванёт?) Поэтому и ранние Honda FCX Clarity, и KERS в «Формуле-1» используют не их, а суперконденсаторы, имеющие гораздо меньшую ёмкость, но практически мгновенно отдающие энергию.
Стэнфордские исследователи попробовали вырастить железный электрод железо-никелевого аккумулятора на графеновой одноатомной (в толщину) пластинке, а никелевый электрод (точнее, из гидроксида никеля) — на углеродной нанотрубке со стенками из 10 слоёв.
И вот что вышло. Новая железо-никелевая батарея полностью заряжалась за 120 с и отдавала всю энергию за 30 с. По словам учёных, время зарядки и разрядки уменьшилось в 1 000 раз в сравнении с обычными аккумуляторами такого типа. Разработчики объясняют столь головокружительный эффект тем, что сверхтонкие углеродные подложки существенно облегчают жизнь электронам, которые без проблем попадают на электроды, а от них к потребляющему прибору.
Увы, энергетическая плотность новых батарей осталась традиционной — 50 Вт•ч/кг, что в 4–5 раз меньше, чем у лития. Однако для гибридов это не столь важно: там вес литиевых аккумуляторов нужен только для того, чтобы обеспечить возможность чисто электрического движения на небольших скоростях, и большая ёмкость требуется куда меньше быстрой зарядки и отдачи электричества батареей.
Кроме того, новое устройство может найти применение в качестве вспомогательных накопителей. Дело в том, что зарядка литиевых аккумуляторов весьма неспешна, и регенеративное торможение, когда вращение колёс преобразуется в запасаемую батареей энергию, может быть только очень плавным, что для большинства ситуаций, когда водитель жмёт на тормоза, не походит. Поэтому, если вы нажали на тормоз хоть чуть-чуть сильнее, чем «еле-еле», в электромобиле включаются обычные дисковые тормоза, изнашиваясь и преобразуя энергию (которую можно было бы запасти) в нагрев окружающего воздуха и тормозной жидкости. Даже небольшая, 5–10-килограммовая железо-никелевая батарея могла бы существенно увеличить эффективность регенеративного торможения, а также повысить пиковое питание электромоторов при разгоне.