Пять проектов батареек, которые могут разогнать мировую промышленность

Фото: Getty Images

Если бы батарейки совершенствовались так же быстро, как развивается микроэлектроника, автомобильный стартер, например, давно сжался бы до размеров монеты. Но закон Мура не добрался до аккумуляторов, иначе человечество пересело бы на подешевевшие электрические автомобили, заряжало бы смартфоны за 30 секунд и перестало бы вырубать просеки под линии электропередач. Целые отрасли тормозят в развитии из-за отсутствия компактной, энергоемкой, долгосрочной, безопасной и при этом дешевой батарейки.

Сверхбыстрая зарядка

По скорости развития аккумуляторы для смартфонов сильно отстали от электроники – разрыв обещает сократить израильская StoreDot, разработавшая прототип батарейки с добавлением биологических материалов, которая способна заряжаться всего за 30 секунд. «Если подать большой ток на обычную батарейку, электроды тут же разрушаются. Чтобы этого не происходило, делается модификация электродов и электролита с дополнением органических и неорганических добавок», – говорит ученый и предприниматель Семен Лицин, один из основателей StoreDot. По его словам, аккумулятор прослужит втрое дольше обычных батареек – до 1,5–2 тыс. зарядно-разрядных циклов.

Лицин и профессор Тель-Авивского университета Гиль Розенман создали StoreDot в 2012 году, затем в качестве гендиректора и сооснователя к ним присоединился Дорон Майерсдорф. В первый раунд финансирования в 2013 году компания привлекла $6 млн инвестиций, а в апреле 2014-го продемонстрировала достижения на симпозиуме Microsoft Think Next, где аккумулятор вставили в Samsung Galaxy X4 и зарядили за 30 секунд. Видеоролик с этой записью произвел фурор, и в сентябре StoreDot привлекла уже $42 млн, $10 млн из которых вложил Роман Абрамович через инвестиционную компанию Milestone Investments.

Разработка StoreDot включает батарейку и зарядное устройство и может изменить всю модель использования смартфонов. «Зарядка вообще перестанет быть проблемой. Можно будет зарядить телефон на ходу, а если вы забыли зарядное устройство – одолжить его максимум на минуту», – рассказывает Майерсдорф. В ближайшие четыре-пять лет быстрозарядные устройства получат глобальное распространение, полагает он. Готовый прототип аккумулятора StoreDot обещает показать в январе на выставке электроники CES в Лас-Вегасе, а к 2016 году вывести его на рынок. Батарейки будут на 25–30% дороже в производстве, а следовательно, и в продаже, но Семен Лицин уверен, что потребители готовы платить надбавку.

Хранилище для электричества

Как только вы включаете свет, электростанция должна произвести и передать вам электроэнергию. Таким образом, вся система по производству электричества нацелена на то, чтобы выдать нужное количество тока в момент пиковой нагрузки. Большую часть времени она не загружена даже на половину своей мощности.

«Представьте себе индустрию по производству оберточной бумаги к Рождеству. Если бы она работала в таком же режиме, фабрики со всем персоналом простаивали бы без дела 364 дня в году, ожидая тот самый день перед Рождеством, когда всем понадобится завернуть подарки. Не очень эффективно, правда?» – говорит президент американской компании Eos Energy Storage Стив Хеллман.

Проблема в том, что человечество пока не придумало способа эффективно и дешево хранить электричество. Для ее решения Eos Energy Storage разработала технологию Znyth – воздушно-цинковый аккумулятор, который в час пик сможет просто отдавать накопленную энергию, не задействуя при этом всю мощь энергосети. По словам Хеллмана, аккумулятор способен безо всякой дополнительной инфраструктуры вдвое увеличить эффективность использования энергосетей.

«Чтобы более эффективно использовать энергосети, хранение энергии должно быть более дешевым и эффективным, чем ее производство и распределение. Исторически дешевле было построить новую электростанцию и дополнительную инфраструктуру, чем пытаться накопить электричество. Перед нами стояла задача создать аккумулятор, который станет более дешевой альтернативой, чего мы и добились», – утверждает Хеллман. С момента основания в 2007 году Eos Energy Storage привлекла порядка $27 млн венчурных инвестиций и заключила контракты с восемью мировыми производителями электроэнергии, в том числе Con Edison, Enel и GDF Suez. В следующем году она планирует поставить им первые аккумуляторы, а в 2016 году вывести свою продукцию на мировой рынок.

Проточный аккумулятор

Несмотря на огромный объем субсидий, потраченных на развитие альтернативной энергетики, доля возобновляемой энергии в мировом объеме производства электричества, по данным Международного энергетического агентства, составляет лишь около 22%. Одна из причин – нестабильность поставок энергии: когда солнце не светит, а ветер не дует, начинаются перебои с напряжением и питанием. Именно для решения этой проблемы команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревене.

«Представьте, что перед вами машина с мотором, в котором вы можете задавать мощность и решать, как долго он будет работать, в зависимости от нужного вам объема бензобака», – объясняет принцип действия проточного аккумулятора научный сотрудник Гарвардской школы технологии и прикладных наук Майкл Маршак. Из его объяснений следует, что в проточной батарее к активатору топливного элемента добавляют жидкость. Ее уровень можно регулировать, а значит, рассчитать, какой объем потребуется для производства электричества, необходимого для стабильной работы сети. Это может обеспечить бесперебойные поставки энергии от ветровых установок и солнечных панелей.

Команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревене

(Фото: предоставлено пресс-службой)

Сейчас в лаборатории Гарварда испытывают образец проточного аккумулятора размером с ладонь. Батарейка проявляет изрядную живучесть: по расчетам ученых, ее мощность снизится вдвое лишь после 10–15 тыс. циклов, этого хватит на 20–30 лет ежедневного применения. Аккумулятор может оказаться в 25 раз дешевле существующих аналогов, производя энергию стоимостью всего $27 за 1 кВт·ч вместо $700 за 1 кВт·ч.

На проект потрачено $4,3 млн, все это гранты Министерства энергетики США и неправительственных организаций. Около трети суммы было направлено в компанию Sustainable Innovations, с которой лаборатория заключила контракт на разработку полноценного прототипа аккумулятора для демонстрации потенциальным клиентам. «У нас получится продукт размером с холодильник. Этого должно быть достаточно, чтобы всю ночь снабжать ваш дом энергией от солнечных панелей на крыше. Поставил батарею в подвал или кладовку – и можно использовать накопленную энергию ночью, когда панели не работают», – говорит Маршак. Sustainable Innovations обещает вывести аккумулятор на рынок к 2017 году.

Жидкий металл

Другое решение для возобновляемой энергетики предложил Дон Садовей, профессор Массачусетского технологического института (MIT). Его разработка – аккумулятор на основе расплавленной соли, расположенной между двумя слоями жидкого металла. В 2010 году из его лаборатории в MIT образовался стартап Ambri, который менее чем за четыре года привлек свыше $50 млн инвестиций, в том числе от Билла Гейтса, Khosla Ventures, KLP Enterprises и нефтяной компании Total.

«Наша инновация в том, что батарейка состоит из жидких компонентов. Это делает ее очень дешевой, долгосрочной и гибкой в плане использования», – уверяет вице-президент по развитию Ambri Кристин Бриф. Батарейка может служить до 15 лет и способна за десятые доли секунды реагировать на сигналы сети – например, переключаться с зарядки на разрядку и стабилизировать напряжение.

В конце прошлого года Ambri открыла фабрику по производству батарей в Массачусетсе. Компания пока не занимается продажами, а сосредоточена на изготовлении прототипов, но у Кристин Бриф нет сомнений, что продукт будет востребован. Пять прототипов, которые будут готовы в 2015 году, уже распределены между частными и государственными заказами в США: один из них отправится на военную базу в Массачусетсе, другой – в электрическую компанию в Нью-Йорке, два – на Гавайи, где их будет тестировать независимый производитель возобновляемой энергии First Wind, и один – на Аляску. Кроме того, первую коммерческую систему мощностью 1 МВт·ч купили ВМС США: в 2016 году ее установят на военной базе в Перл-Харборе.

Батарейка для автомобиля

Едва ли не главная отрасль, в которой инновационная батарейка может совершить революцию, – автомобильная. Дешевый, энергоемкий, быстро заряжающийся и безопасный аккумулятор увеличит пробег электрокаров, снизит цену машин и стоимость обслуживания. Но батарейку, которая заменит двигатель внутреннего сгорания, еще не изобрели. «Нельзя забывать, что энергоемкость бензина – около 1200 Вт·ч/кг, это почти в 100 раз выше, чем у батарейки такого же веса. Поэтому современным аккумуляторам сложно соревноваться с топливом», – отмечает гендиректор канадской компании Cadex Electronics Айсидор Бакманн.

Основатель Tesla Илон Маск не стал дожидаться изобретателей: в сентябре он начал строительство фабрики по выпуску батарей в Неваде, рассчитывая втрое снизить их себестоимость за счет масштаба производства. Но многие продолжают пытаться удешевить производство батарей при помощи инноваций. Среди них – стартап Sakti3, разработавший прототип литиево-ионной батарейки на основе твердого электролита. «Жидкий электролит со временем может деградировать и ухудшать состояние других материалов в батарейке. Мы разработали формулу, где вообще нет жидкости – ни паразитных масс, ни материалов, разрушающих активно действующие компоненты», – заявила журналу «РБК» президент компании Энн Мари Сестри. По ее словам, новые батарейки уже продемонстрировали рекордные показатели энергоемкости – более 1100 Вт·ч/л, что примерно вдвое мощнее самых современных аналогов.

Энн Мари Сестри основала стартап в 2007 году на базе лаборатории Мичиганского университета. С тех пор компания провела три раунда инвестиций, собрав свыше $30 млн. В Sakti3 обещают, что к 2020 году их аккумулятор будет стоить в пять раз дешевле аналогов, и в этом случае он перевернет индустрию электромобилей. «Современный электрический привод для электромобилей стоит минимум $10–15 тыс. Многие семьи не могут его себе позволить, даже если хотят использовать более экологичное транспортное средство», – констатирует Сестри. Компания планирует запустить аккумулятор в коммерческое производство в 2016 году.