Mokslo ir technologijų pasaulis

Pamirškite ličio baterijų gaisrus: saugi, sparčiai įkraunama energijos saugojimo alternatyva gali pasitarnauti viskam – nuo išmaniųjų telefonų iki išmaniųjų elektros tinklų

Nevados dykumos fone kyla gigantiškas fabrikas. Pažvelgus į užbaigto pastato vaizdą dailininkų vizualizacijoje, galima supainioti jį su Marso kolonija, jo saulės elementų rikiuotės stirkso iš rausvos žemės. Bet tai yra Gigafabrikas, išsikėtojęs daugiau nei 600 000 kvadratinių metrų plote. Čia elektromobilių gamintoja Tesla Motors planuoja gaminti vienintelį savo automobilių komponentą: akumuliatorių.

Geras įkraunamas elektromobilio akumuliatorius gali palengvinti piniginę maždaug $10 000. Už tai gausite produktą, kuris yra toksiškas, kurio savybės po kelių metų gerokai suprastės ir kuris turi būti atidžiai sukonstruotas, kad būtų išvengta katastrofiško perkaitimo. Gigafabrikas parodo Tesla CEO Elono Musko siekį gaminti geresnius akumuliatorius ir taip realizuoti įperkamų elektromobilių svajonę.

Kitų siekiai panašūs. Dėl neseniai vykusios didžiai nemalonios Samsung istorijos su sprogstančiais jų Galaxy Note 7 išmaniųjų telefonų akumuliatoriais, teko atšaukti visus įrenginius ir nutraukti jų gamybą. „Tai mums kainuos tiek daug, kad net širdį sopa,“ sakė Koh Dong-Jin, Samsung mobiliųjų įrenginių skyriaus direktorius. Geresnės, pigesnės baterijos įrašytos praktiškai visų technologijų, kurios nenaudoja iškastinio kuro, pageidavimų sąrašo viršuje.

Tačiau, kaip atranda Muskas ir kiti, tai žada būti ilgas ir sunkus kelias. Gal yra geresnis būdas? Būtent tai pateikti galintys tvirtina ilgai pamiršto energijos kaupimo ir tiekimo įrenginio tyrėjai. Jų nuomone, jis geriau atitinka energijos tiekimo poreikį – ir taip iš esmės keičia energijos naudojimą. Ar jau metas žvelgti, kas už baterijų?

Įkraunamos baterijos energiją kaupia, vykdydamos grįžtamąsias chemines reakcijas, kai tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo juda jonai. Tinkamos medžiagos, tokios, kaip ličio junginiai, naudojami tiek Tesla, tiek Samsung baterijose, gali sukaupti daug energijos, bet jos lėtai įkraunamos ir iškraunamos, ir tada kaista. Kas būtent sukėlė Note 7 fiasko, dar nėra aišku, tačiau ličio jonų baterijose naudojami plonyčiai baterijos komponentus atskiriantys separatoriai. Jeigu jie būna blogai sukurti ar pažeisti, jie gali savo užduoties nebeatlikti, taip sukurdami trumpąjį jungimą, dėl kurio įkaista ir pažeidžiamos kitos dalys, ir taip kyla grandininė reakcija. Dėl tokių saugumo problemų, ir ličio baterijų brangumo, chemikai seniai dairosi alternatyvos.

Bet chemija nėra vienintelis elektros krūvio kaupimo būdas. Kondensatoriuose energija saugoma fiziškai, elektros lauke tarp metalinių elektrodų. Kondensatoriai yra sprinteriai, palyginus su akumuliatorių stajeriais, įsikrauna ir išsikrauna akimirksniu, ir tai daro vėl ir vėl ir vėl, neprarasdami savybių. Jie jau naudojami energijos kaupimui fotoaparatų blykstėse.

Bet su blykste elektromobiliu toli nenuvažiuosi. Kilograme benzino yra maždaug 4000 vatvalandžių naudingos energijos, 30 kartų daugiau, nei Tesla elektromobiliuose naudojamose baterijose. Tradiciniuose kondensatoriuose sukaupiama dar 1000 kartų mažiau energijos, vos 0,1 Wh/kg. Jeigu automobilis pilnu baku gali nuvažiuoti 500 km, tokioje pat masėje kondensatorių sukauptos energijos geriausiu atveju pakaktų nuvažiuoti iš kiemo į gatvę – kiek daugiau nei 16 metrų.

Taigi, aišku kaip dieną, tradiciniai kondensatoriai su baterijomis konkuruoti niekaip negali. Bet tokia mintis kilo ne vienam – netgi Muskui. „Jei reikėtų prognozuoti, manyčiau, tai galėtų būti ne baterijos, o kondensatoriai“ sukels proveržį, sakė jis 2011. Šiame straipsnyje apžvelgsime nuolatinį kondensatoriaus tobulėjimą.

Ši evoliucija prasidėjo dar 1966 metais, kai Robert Rightmire iš Ohajaus Standard Oil buvo komandoje, svarstančioje kuro kaupimo ateitį. Jis žinojo, kad kondensatoriaus krūvio talpa priklauso nuo elektrodų paviršiaus ploto. Tad, kodėl gi nepadarius jo puresnio, kad būtų galima supakuoti daugiau krūvio? Jis pagamino kondensatorių, kurio elektrodai buvo padengti plonu anglies sluoksniu, kuriame cheminiu būdu buvo išbadyta milijonai mažų skylučių. Tokia, vadinamoji aktyvuota, anglis paprastai naudojama, pavyzdžiui, kofeino pašalinimui iš kavos, ir jos vidinis paviršius ~100 000 didesnis už paviršiaus plotą. Ir šis triukas suveikė. Rightmire'o „superkondensatoriuose“, lyginant su tradiciniais kondensatoriais, tilpo 10 kartų daugiau energijos.

Atsikratykime kokoso riešutų

Dešimtajame dešimtmetyje maži superkondensatoriai tapo komercine realybe. Jie trumpam tiekdavo energiją kompiuteriams, kad šie spėtų saugiai išsijungti, jeigu dingtų maitinimas. Iki elektromobilių maitinimo dar toli. Ilgai niekas pernelyg ir nesikeitė. Viena iš to priežasčių buvo tos purios anglies šaltinis: kokoso riešutai.

„Blogai sukurtos baterijos gali sprogti, bet tai mažiausia jų bėda“

„Tai grynas atsitiktinumas,“ sako Aaron Feaver, Seattle įsikūrusios energijos kaupimo kompanijos EnerG2 vyr. technikas. „Kokosai neevoliucionavo buvimo tobuliausia ultrakondensatorių elektrodų medžiagos tiekėjų kryptimi, bet taip jau nutiko, kad jie tam visai gerai tinka.“ Atlikę lukštai kaitinami iki 600 °C bedeguonėje aplinkoje, taip siekiant atsikratyti visų elementų, išskyrus anglį, kitaip tariant, vykdoma jų pirolizė. Tada anglis apdorojama specialiomis cheminėmis medžiagomis, taip suformuojant mikroskopines poras.

Kokosai buvo toks pigus ir patogus anglies šaltinis, kad kitų galimybių niekas pernelyg daug ir nesvarstė. Dešimtojo dešimtmečio gale superkondensatoriai buvo pervadinti į „ultrakondensatorius“, bet principas liko tas pats.

Ir vis rasdavosi naujų panaudojimo sričių. Kai kurios vėjo turbinų kompanijos naudoja juos kaip avarines baterijų alternatyvas. Turbinų mentės turi nuolat prisitaikyti prie vėjo. Jei elektros tiekimas nutrūksta, mentės privalo greitai grįžti į neutralią poziciją, nes stiprūs vėjo gūsiai gali pažeisti ar net sunaikinti turbiną. Tam reikia trumpo galios pliūpsnio – ultrakondensatoriai tam puikiai tinka. Didelės galios baterijos yra sunkesnės ir galiausiai jas reikia pakeisti. „Kartą ką nors įdėjus į turbiną, visai nesinori vėl kopti ir tai aptarnauti. Norisi tiesiog užmiršti tai,“ sako Kim McGrath iš Maxwell Technologies , gaminančios ultrakondensatorius.

Ultrakondensatorių gebėjimas teikti trumpus galios pliūpsnius naudingas ir kitur. Kinijoje, būriuose hibridinių dyzelinių autobusų yra ultrakondensatoriai, kurie greitai įkraunami iš regeneracinio stabdymo sistemos, o paskui greitina autobusą, kol darbą gali vėl perimti dyzelinis motoras.

Tuo tarpu medžiagų inovacijos siūlo naujus būdus kondensatoriuose sutalpini daugiau energijos. Šio amžiaus pirmojo dešimtmečio viduryje Joel Schindall, John Kassakian ir Riccardo Signorelli iš MIT pradėjo tyrinėti, ar kiti anglies tipai galėtų tikti geriau už gaunamą iš kokoso riešutų kevalų. Taip jau nutiko, kad gretimoje laboratorijoje darbavosi Mildred Dresselhaus, dar vadinama „anglies mokslų karaliene“ dėl jos darbų šioje srityje. Ji padėjo trijulei pagaminti anglies nanovamzdelių – grynos anglies cilindrų, 10 000 kartų plonesnių už žmogaus plauką – mišką, kurio vieno gramo paviršiaus plotas buvo didesnis nei 2000 kvadratinių metrų.

Nanovamzdelių ultrakondensatoriai buvo sėkmė, didžia dalimi dėl John Cooley (irgi iš MIT) įkurtos firmos FastCap Systems. FastCap pagamino superkondensatorius, kurie tieks energiją NASA misijoms į Venerą ir tolimąjį kosmosą. Geriausias firmos modelis gali sukaupti krūvį, atitinkantį 10% Tesla baterijos, maždaug dvigubai daugiau, nei kitas pagal gerumą komercinis produktas.

Toks nanovamzdelių dizainas brangus, ir bendrai, ultrakondensatorių talpa Gigafabrikui dar negrasina – bet gal tai ir nesvarbu. „Niekada nesitikėjome ultrakondensatorius padaryti pagrindiniu elektromobilių energijos kaupikliu,“ sako Cooley. Bet jeigu jie gali būti patikimi pagalbininkai, sumažinantys pikinį energijos poreikį iš pavargusių baterijų – tai trumpina jų gyvenimą – tai būtų naudinga visiems.

Kaip tai? Elektromobilio vairavimo idėja jums gali patikti ar nepatikti, tačiau elektros tinklams teksiančių problemų ignoruoti negali niekas. Norime, kad tiekiama energija būtų ne tik nebrangi , bet ir patikima bei žalia. Visa tai pasiekti darosi sudėtinga netgi labai išsivysčiusioms šalims. Pavyzdžiui, spalį Jungtinė Karalystė iškrito iš Pasaulio energijos tarybos trilemos – energijos saugumo vertinimo sąrašo – dešimtuko.

Per kelis pastaruosius metus pigi žalia energija tapo rimtu dalyku; pernai JAV atsinaujinantys šaltiniai sudarė du trečdalius naujų energijos generavimo šaltinių, ir JT duomenimis, daugiau nei pusę visame pasaulyje. Bet, viena vertus, energijos poreikis labai kinta, o antra, energijos tiekimas iš atsinaujinančių šaltinių nėra pastovus. Vėjas nepučia visada ir saulės šviesa elektrą gamina ne tolygiai.

Šią problemą turėtų išspręsti išmaniojo tinklo koncepcija, kai energijos srautą iš visų generavimo šaltinių vartotojams nuolatos stebi ir reguliuoja tinklo jutikliai ir jungikliai. Bet tai neišvengiamai reiškia būtinybę energiją kažkur kaupti ir tos vangios baterijos vėl kiša koją.

Naudoti baterijas kaip vieninteles energijos saugyklas nėra idealu dėl dviejų priežasčių. Pirmiausia, nuolatinis įkrovimas ir iškrovimas trumpina jų gyvenimą. Antra, baterijos negali greitai atiduoti visos savo energijos, tad tinklams reikia papildomų baterijų, kad galėtų susitvarkyti su trumpais poreikių šuoliais, viršijančiais įprastas fluktuacijas. Ultrakondensatoriai vietoje didesnių baterijų būtų didelis pagerinimas. „Bendrai tai sumažintų pradines investicijas ir sumažintų veikimo kaštus,“ pažymi McGrath. „O technologija jau pasiekė stadiją, kai mums atsiveria rinka.“

Šiemet Maxwell įrengė dvi ultrakondensatorines energijos kaupimo sistemas. Viena yra Š. Karolinoje, kur ultrakondensatoriai prijungti prie saulės elementų masyvo ir baterijos su druskų tirpalo elektrolitu. Kai saulė elementų išeiga svyruoja dėl praslenkančių debesų, įsijungia ultrakondensatorius. Jis gali greitai suteikti beveik tris kartus daugiau energijos, nei baterijos, bet išsenka per porą minučių. Tuomet įsijungia baterijos, laikančios ~40 kartų daugiau energijos. Bandymus atlieka Duke Energy, JAV komunalines paslaugas teikianti kompanija, aptarnaujanti >7 mln klientų. Jos teigimu, sistema yra 10 – 15 procentų pigesnė už naudojančią vien baterijas. „Be to, ji turėtų sulėtinti baterijų senėjimą,“ sako Randy Wheeless iš Duke Energy.

„Būtų neišmintinga kliautis vien ultrakondensatoriais, visiškai atsisakant baterijų“

Vėjo energija tokia pat nepastovi, kaip ir saulės, ir ne tokiame švelniame klimate kitoje Atlanto pusėje tai populiaresnis atsinaujinančios energijos šaltinis. Airijoje vėjas pagamina beveik ketvirtį visos energijos, ir iki 2020 m. šalis sieks šią dalį padidinti iki 40%. Čia ir atliekamas antrasis bandymas, eksperimentiniame išmaniajame tinkle Tallaght mieste, netoli Dublino. Prie vietinės valdžios pastato prijungti ultrakondensatoriai parodė, kad per sekundės dalį gali kompensuoti tiekiamos elektros srovės dažnio svyravimus. Klaus Harder iš uktrakondensatorių ir baterijų hibridus patiekusios Vokietijos firmos FreqCon sako, kad ultrakondensatoriai kol kas visas į juos dėtas viltis pateisina.

FreqCon planuoja netrukus išbandyti didesnį ultrakondensatorių ir baterijų hibridą vakarinėje Airijos pakrantėje. Baterijos gal ir nėra idealios, bet jos vis tobulėja. Ultrakondensatoriai turi neatsilikti ir taip pat didinti savo galimybes.

O tobulėti dar yra kur. Tokios firmos kaip EnerG2 teigia tobulinsiančios technologiją, naudodamos naujus elektrodus dengiančios anglies šaltinius. „Kokoso riešutai pigūs, tačiau juose daug natūralių teršalų, o aktyvavimo procesas nuodingas ir brangus,“ sako Feaver. EnerG2 kuria savo anglies polimerus, panašius į dervas, kuriomis laminuojama fanera. Tada ji pirolizuojama ir aktyvuojama paprasčiau ir žaliau.

EnerG2 anglis irgi gali būti pritaikyta skirtingiems ultrakondensatorių tipams. Skirti greitai sustabdyti ir užvesti mašinos benzininį variklį turi tiekti greitus energijos pliūpsnius, bet namų saulės elementų gaminamos elektros srovės stabilizavimui talpa gali būti didesnis prioritetas nei sparta. Kokoso riešutų kevalų anglies porų dydis atitinka paplitusius elektrolitus, tokius, kaip amonio druskos. Bet keisdama cheminį procesą, EnerG2 gali gaminti anglį, kurios poros tinka elektrolitams, skirtiems dideliam galios tankiui, dideliam energijos tankiui, ar bet kokiai jų kombinacijai, sako Feaver.

Praktiškai nepažeidžiami

Kai kas mano, kad didesnių šuolių galima sulaukti, nutraukus prisirišimą prie anglies. William Dichtel, Šiaurės Vakarų universiteto Čikagoje chemikas, sukūrė polimerų tinklus, vadinamus kovalentinėmis organinėmis struktūromis, kurie ultrakondensatoriuose veikia tiesiogiai, be pirolizės. Jo komandai pavyko pagaminti poringą ultrakondensatorių medžiagą, kurios našumas palyginamas su nanovamzdelių įrenginių, tačiau potencialiai kainuoja daug pigiau. „Kabliukas tik, kad mes chemikai, atliekantys bazinius tyrimus, o ne Tesla, bandanti juos pelningai sudėti į elektromobilius,“ sako Dichtel.

Nerimaujama, kad egzotiškieji polimeriniai ultrakondensatoriai gali būti ne tokie ilgaamžiai, kaip dabartinės anglinės sistemos. Tiesa, šie ultrakondensatoriai nėra nepažeidžiami, sutinka Feaver. „Bet palyginus su baterijomis, jie, galima sakyti tokie yra.“ Elektromobilio ar išmaniojo telefono baterija kuriama atlaikyti 1000 įkrovimo/iškrovimo ciklų, kai tuo tarpu netgi eksperimentiniai Dichtel'o ultrakondensatoriai išliko stabilūs mažiausiai po 10 kartų daugiau ciklų.

Ultrakondensatoriai taip toli pažengė nuo savo kuklios pradžios, kad kyla pagunda pasvarstyti, ar jie galėtų išaugti savo antraplanį vaidmenį ir baterijas išstumti visiškai. Tokia diena dar toli, bet lažintis, kad ji niekada neateis, tikriausiai būtų neišmintinga. Žinome, kad Elonas Muskas, prieš įkurdamas pirmąjį savo startuolį Silicio Slėnyje, turėjo reikalų su ultrakondensatorius studijuojančiu PhD. Ir Tesla Motors patentuose vis atsiranda nuorodų į ultrakondensatorius. Kadaise taip ultrakondensatorių apžavėtas žmogus visiškai tikėjimo jais dar neprarado. Gal už to didžiulio fabriko Nevadoje durų jie vis dar vystosi.