Случайное открытие может изменить мир

Время от времени революционные технологии, кажется, спонтанно появляются из воздуха и меняют наш мир. Динамит, пенициллин, рентгеновские аппараты и даже микроволны - все это примеры таких революционных случайных открытий. 

В этом году, возможно, будет еще одно. Однако на этот раз оно не только изменит наш образ жизни, но и, возможно, спасет нашу планету от надвигающегося изменения климата благодаря открытию неуловимой технологии: литий-серных батарей.

На протяжении десятилетий мы искали лучшую технологию для обеспечения энергией нашего современного образа жизни и внедрения экологически чистых технологий, таких как электромобили. С начала 90-х годов прошлого века литий-ионные батареи были самой популярной технологией. 

Она питает все - от телефонов и Teslas до резервных энергосистем и даже спутников. Но несмотря на то, что они привели нас в 21 век, у них есть несколько серьезных недостатков.

Во-первых, материалы, необходимые для их создания, такие как кобальт, как правило, очень вредны для окружающей среды. Они разрушают обширные экосистемы и даже выщелачивают токсичные химикаты. (На практике возникает и гуманитарный вопрос, поскольку условия труда на некоторых шахтах смертельно опасны и используется детский труд).

Кроме того, существует проблема жизненного цикла. Мы требуем от наших устройств более быстрого времени зарядки. Это касается всего - от телефонов до автомобилей. Но, как вам скажет любой владелец смартфона, литий-ионные аккумуляторы могут быстро терять емкость, если их многократно быстро заряжать.

Деградация батарей - это серьезная проблема, особенно для мира электромобилей. Подержанные EV иногда становятся бесполезными, если батарея израсходована, а ее замена обойдется в целое состояние. В целом, это замедляет внедрение EV, а также означает, что электронные отходы, которые уже являются серьезной проблемой, будут только ухудшаться.

Существует также проблема плотности. Литий-ионные аккумуляторы обладают относительно высокой энергоемкостью, но они все еще довольно тяжелые, большие и громоздкие. Это ограничивает дальность пробега электромобилей из-за большого веса батарей, а также делает батареи нецелесообразными для некоторых применений, таких как коммерческие электрические самолеты и корабли.

Существует даже проблема возгорания литий-ионных батарей, поскольку поврежденный элемент может самопроизвольно загореться и интенсивно гореть. Просто посмотрите, что произошло с некоторыми старыми телефонами Samsung (Note 7) и Rimac EV, который разбил Ричард Хаммонд.

Именно поэтому ученые из Дрекселя изучали совершенно новый тип батарей, известный как литий-серные.

На первый взгляд, литий-серный аккумулятор решает все проблемы литий-ионного. Он использует гораздо меньше экологически вредных материалов, может быть дешевле в производстве, может быть в три раза более энергоемким (что означает более легкую батарею) и гораздо меньше подвержен возгоранию. И все это без ущерба для скорости зарядки. 

Так в чем же подвох? Почему у нас их еще нет?

Ну, у них есть одна огромная проблема. Если литий-ионная батарея может прослужить около 2000 циклов зарядки, то литий-серная, как правило, выдерживает лишь половину этого срока. Таким образом, после года или двух правильного использования литий-серная батарея практически мертва. 

Литий-серные батареи могут быть дешевле в производстве и в три раза более энергоемкими, чем литий-ионные батареи.

Чтобы решить эту проблему, команда Дрекселя опробовала новые подходы к литий-серным батареям, изменив соединения в катоде батареи. 

Их целью было замедлить химическую реакцию, которая создает полисульфиды, когда батарея заряжается и разряжается. Эти кристаллы эффективно забирают серу из электрода и в конечном итоге вызывают огромную потерю емкости. Замедление этой реакции может продлить срок службы этих очень энергоемких батарей.

Но вместо этого они обнаружили нечто невероятное: химическую фазу серы, которая практически останавливает деградацию батареи! Они были настолько потрясены этим открытием, что им пришлось перепроверить его 100 раз, чтобы убедиться, что они не ослышались.

Эта химическая фаза известна как моноклинная гамма-фаза серы, но до этого ее наблюдали только в лаборатории при высоких температурах - до 95°C (203°F). Впервые она была замечена при комнатной температуре. 

В батарее эта фаза полностью останавливает реакцию, в результате которой образуются полисульфиды. Это оказалось настолько эффективным, что ученые пропустили батарею через 4 000 циклов зарядки без падения емкости, что означает, что она служит по крайней мере в два раза дольше, чем литий-ионная.

Стоит также отметить, что их батарея была в три раза более энергоемкой, чем литий-ионная, и заряжалась так же быстро!

Сказать, что это выдающееся открытие, значит сильно преуменьшить. Но у этой новой фазы серы есть и другие преимущества, например, уменьшение расширения батареи и увеличение запаса прочности. Другими словами, эта батарея обладает всеми признаками идеальной батареи для массового рынка, и ученые обнаружили ее совершенно случайно.

Как и в случае большинства случайных открытий, ученые еще не выяснили, что происходит на самом деле. Они до сих пор не знают, почему образуется эта фаза серы и как сделать так, чтобы она оставалась такой. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы ответить на эти вопросы и создать надежную батарею, которая будет использоваться в миллиардах компьютеров, электромобилей и т.п.

Но ожидание того стоит, поскольку вес этих батарей будет составлять треть от веса аналогичных литий-ионных батарей, а срок службы - вдвое больше! 

Авиарейсы малой протяженности, грузовые суда и пассажирские паромы получат технологию, которая позволит им полностью перейти на электричество.

Это означает, что гораздо более быстрые и эффективные электромобили с дальностью хода в тысячи миль станут коммерчески жизнеспособными по цене, аналогичной стоимости сегодняшних электромобилей. Более того, они будут полезны и через 10 лет, что значительно сократит количество отходов и увеличит темпы внедрения EV.

Более того, ближнемагистральные рейсы, грузовые суда и пассажирские паромы получат технологию, которая позволит им полностью перейти на электричество. Экономия веса, длительный срок службы и конкурентоспособная цена позволят этим отраслям наконец-то достичь своих низкоуглеродных целей. 

Короче говоря, литий-серные батареи могут позволить перевести на электричество огромный спектр деятельности, сделав чистые нулевые выбросы гораздо более реальными.

Невероятно, но все становится еще лучше.

Литий, сера и другие материалы, из которых изготавливаются новые батареи, в изобилии имеются на всей Земле. Это означает, что мы можем резко минимизировать воздействие добычи на окружающую среду, а также обеспечить более надежную цепочку поставок.

Но на этом открытие не заканчивается. Команда из Дрекселя уже рассматривает возможность использования этого открытия для создания натриево-серных батарей. Отказавшись от лития, они смогут сделать батареи еще более экологически чистыми и устранить серьезное узкое место в цепи поставок, что обеспечит дальнейшее распространение электромобилей с бешеной скоростью, которую планируют автопроизводители. 

Это случайное открытие, сделанное в Дрекселе, должно произвести революцию в использовании энергии в мире и помочь человечеству перейти к более чистому, углеродно-нейтральному обществу. Будем надеяться, что команда из Дрекселя сможет вывести эту технологию из лаборатории в наши руки в ближайшее время.