В Перми что делать, если холодные батареи — 17 сентября 2021
Все новостиЗвезды в пермских скверах. Собрали все концерты и события в парках города в его день рождения: афиша
В Перми массовая задержка поездов дальнего следования и электричек
В МИД назвали условие для возобновления переговоров по Украине: новости СВО за 7 июня
Вот бы нам такую! Ученые назвали поразительную особенность организма людей, которые живут дольше 100 лет
В СВО погибли трое участников ЧВК «Вагнер» из Карагайского округа
30 жертв «Мистера Сидра». Что нашли в составе смертельного напитка и какие симптомы были у погибших
Путин впервые прокомментировал ситуацию на Каховской ГЭС
В украинский плен попал 32-летний мобилизованный из Прикамья
В светских телеграм-каналах пишут, что Теодор Курентзис женится
Скрываете даже сами от себя: 5 типов поведения, которые говорят о том, что родитель не любит своего ребенка
Накануне Дня города глава Перми вручил паспорта школьникам
В Перми на Сибирской новые ливневки выступают над плиткой.
Так будет всегда? Спрашиваем у администрации
В двух микрорайонах Перми отключат холодную воду из-за ремонта
«Фреда избивали, потому что на фотосессиях не мог сидеть смирно»: как в приюте спасают брошенных енотов
В Соликамске прошла Всероссийская конференция по охране труда и промышленной безопасности
В Перми с улицы Ленина пропал кофейный киоск. Через несколько дней его нашли на кладбище
12 июня продлят работу и изменят движение общественного транспорта. Все подробности на карте и в расписаниях
Жители Пермского края смогут звонить через LTE и отправлять СМС по Wi-Fi
«Можно перепутать с нормой». Кардиолог назвала главную ошибку в измерении давления после 45 лет
В Перми 12 июня из-за Крестного хода ограничат движение в двух районах города
Бывшего вице-премьера Прикамья Елену Лопаеву отпустили из-под домашнего ареста. Ее обвиняют в присвоении 50 миллионов
Цыгане, которых судили за самострой на участке для многодетных в Чапаевском, выкупили землю
Наркокурьера из Прикамья задержали после погони в Волгоградской области.
Видео
Пермяки смогут бесплатно посмотреть соревнования по аквабайку на Каме
Туристический сбор за посещение охраняемых природных территорий в Прикамье будут принимать онлайн
«Звонят родственникам и обещают разные ужасы». Юрист рассказала, как на россиян оформляют микрозаймы после взлома «Госуслуг»
«Бионорд» стал одним из лучших ESG-проектов 2023 года
«Признавался, что есть сложности с деньгами»: подробности исчезновения фельдшера, вернувшегося в Пермь из Москвы
Кома, судороги, снижение зрения: симптомы отравления метанолом в одной картинке
В Перми перезахоронили останки первых горожан, которые нашли еще 10 лет назад
«Мне было 12 лет, когда я первый раз попробовал»: как наркоман с ВИЧ и судимостью избавился от зависимости и открыл свой бизнес
В Перми восстановили трамвайную остановку «ЦУМ», а завтра откроют «Улицу Максима Горького»
В Прикамье простятся с уроженцем Осы, погибшим в спецоперации
«Хотел здесь тоже на скорую устроиться, но пропал»: в Перми ищут 39-летнего фельдшера, приехавшего из Москвы
Пермской электричке построили остановку «Комплекс ППИ» в обратном направлении
«Понадобится несколько лет, чтобы вернуть водоснабжение».
Эксперты рассказали о последствиях разрушения плотины Каховской ГЭС
Лучшим студентам аэрокосмического факультета вручили именные стипендии
«Ты лучше, чем ты думаешь», «Улыбнись, и всё получится»: кто автор этих и других добрых плакатов, расклеенных по всей Перми
Льготную ипотеку от застройщиков хотят запретить. Что будет с супернизкими ставками
Все новостиЭнергетики ПСК отслеживают данные о температуре и о давлении в трубах на огромном экране
Фото: Тимофей Калмаков
Поделиться
В Перми отопительный сезон в этом году начался раньше обычного. Всему виной резкое похолодание. Так что сейчас тепло подается в 100% объектов социальной сферы города — это школы, детсады и больницы. Также отапливается более половины жилых домов города.
Рассказываем, как именно тепло попадает в наши батареи, какие с этим могут быть связаны сложности и куда обращаться, если в квартире до сих пор холодно.
Для энергетиков начало отопительного сезона — горячая пора во всех смыслах. На огромном экране главной диспетчерской «Пермской сетевой компании» отображаются основные контрольные точки. Из ЦТП (центральных тепловых пунктов) сюда поступают данные о температуре и давлении в трубах.
На самом деле подготовка к новому отопительному сезону начинается сразу же, как только заканчивается текущий. С середины мая и в течение всего лета энергетики проводят гидравлические испытания теплосетей (в народе — опрессовки), меняют трубы, чистят фильтры, ремонтируют оборудование.
— Еще перед началом отопительного сезона мы заполняем трубы теплоносителем, — рассказывает замначальника оперативно-диспетчерской службы «Пермских тепловых сетей» Сергей Цыденжапов. — Так что наши сети заранее стоят заполненные и под давлением. Потом мы даем отмашку УК и ТСЖ, они тоже открывают свои вентили на вводах в жилье и наполняют всю систему вместе с внутридомовым контуром.
Сергей Цыденжапов: «Перед началом отопительного сезона мы заполняем трубы теплоносителем»
org/Person»>Фото: Тимофей КалмаковПоделиться
По правилам, старт отопительному сезону дают, когда в течение пяти дней среднесуточная температура воздуха составляет менее 8 градусов. В этот раз глава Перми Алексей Дёмкин издал постановление № 686 от 06.09.2021 года о старте отопительного сезона. С 7 сентября начали подключать соцсферу — это школы, садики и больницы. А с 14 сентября уже принимаются заявки на включение жилых домов. Но с учетом похолодания управдомам рекомендовали делать заявки уже с 10-го числа. В результате, по данным на 16 сентября, тепло подано уже в 3700 многоквартирных домов, что составляет более 70% от всего жилфонда, за который отвечает «Т Плюс» в краевой столице.
В Перми несколько крупных ТЭЦ — это теплоэлектроцентрали. От них мы получаем отопление и горячую воду. Летом ТЭЦ работают только на нагрев горячей воды. А с началом отопительного сезона им необходимо выйти на полную мощность. Это занимает время, и возможны отклонения в режимах.
Вода, которая греется на ТЭЦ, не попадает к нам в батареи, она поступает в центральные тепловые пункты и в домовые теплоустановки — мы их привыкли называть бойлерными.
Там через теплообменники нагревается другая вода — теплоноситель, он и поступает в наши квартиры.
— Теплоноситель — это специально подготовленная вода. В деаэраторах из нее удаляют кислород, а потом добавляют различные вещества, чтобы уменьшить жесткость воды, — объясняет Сергей Цыденжапов. — Всё это необходимо, чтобы предотвратить появление ржавчины и известкового налета в трубах.
Фото: Тимофей Калмаков
Поделиться
Кстати, теплообменники могут стоять не только в ЦТП, но и непосредственно в подвалах домов. Многие новостройки оборудуют ИТП (индивидуальными тепловыми пунктами). Благодаря этому УК или ТСЖ могут самостоятельно регулировать температуру в батареях. В некоторых домах такие системы поставили, например, по программе капитального ремонта.
Пока на улице относительно тепло, температура теплоносителя, который выходит с ТЭЦ, задается по нижним значениям. До ЦТП он должен доходить с такими же параметрами.
Температуру в трубах поднимут только в случае, если похолодает. В среднем зимой температура теплоносителя на ТЭЦ может составлять до 110 градусов. В 30-градусные морозы ее поднимают и до более высоких значений. Поэтому нужно всегда помнить о соблюдении безопасности вблизи теплосетей: не парковать машины на люках тепловых камер, держаться подальше от разливов теплоносителя и не проезжать через парящие лужи.
Пермь — довольно большой город с протяженной сетью тепломагистралей (порядка полутора тысяч километров). Представьте, что все их нужно заполнить и прогреть. А как мы уже говорили, ТЭЦ выходит на полную мощность не в один миг.
В свою очередь, управляющие компании и ТСЖ за лето должны провести ремонт внутридомовых систем: сделать опрессовку, прочистить фильтры, промыть трубы. А после этого специалисты должны получить паспорт готовности дома — его подписывают в тепловой инспекции. Только при этом условии в доме можно включать отопление. По данным тепловой инспекции пермского филиала АО «ЭнергосбыТ Плюс», часть управдомов до сих пор не подтвердили готовность их домов к отопительному сезону.
Проверить свою УК/ТСЖ можно по списку критериев, которые должны обеспечить жилищные организации перед запуском отопления.
Фото: Тимофей Калмаков
Поделиться
В одной комнате батареи теплые, а в другой ледяные? Возможно, причина в воздушной пробке. В таком случае воздух мешает нормальной циркуляции воды. В батареях могут быть специфические булькающие звуки. Да, оказывается, если отопление появляется бесшумно, без таких вот «бульков», это хорошо.
— В таких случаях, конечно же, надо обращаться в УК или ТСЖ, — советуют в ПСК. — При завоздушивании системы воздух надо стравливать. Это делается в подвалах или на верхних этажах. При открытии задвижек воздух сначала шипит, а потом начинает брызгать горячая вода. Так что эту работу лучше поручать специалистам. Самим жителям делать это запрещено — есть риск обжечься.
Также в первые дни после включения отопления может колебаться температура горячей воды.
Ситуация может возникнуть в период пусконаладки. Но, как правило, специалисты быстро реагируют и исправляют ситуацию.
Если вы столкнулись с подобным, сначала обратитесь в свою УК или ТСЖ. Там вам должны ответить, смогут ли они отрегулировать это самостоятельно или необходимо будет обращаться за помощью в энергокомпанию.
По плану к концу этой недели все дома Перми должны подключить к отоплению.
Если у вас батареи всё еще холодные, первым делом обращайтесь в вашу УК или ТСЖ. При отсутствии реакции со стороны управдома можно звонить в районную администрацию, а также в инспекцию государственного жилищного надзора (ИГЖН). Также обращения принимает центральная диспетчерская служба «Пермских тепловых сетей» по телефону (342) 243-72-99.
Новости компаний
Читать еще
07 июня 2023, 15:50
Жители Пермского края смогут звонить через LTE и отправлять СМС по Wi-Fi06 июня 2023, 14:00
Шутки кончились: очень сложный тест по русскому языку от наших корректоров04 июня 2023, 10:00
Опасно для здоровья? Врачи рассказали, кому нельзя пить воду с лимоном07 июня 2023, 17:54
Накануне Дня города глава Перми вручил паспорта школьникам07 июня 2023, 18:08
На улице Смирнова отремонтировали трубопровод — здесь случилась крупная утечка07 июня 2023, 16:53
В Соликамске прошла Всероссийская конференция по охране труда и промышленной безопасности
ОтоплениеБатареиПСК
Увидели опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter
Все, что вам нужно знать о металло-воздушных батареях
Электричество скоропортится.
Если его не использовать в момент создания, он быстро рассеивается в виде тепла. Полная декарбонизация электросети может стать реальностью только тогда, когда можно будет хранить и использовать огромное количество солнечной и ветровой энергии в любое время. В конце концов, мы не можем использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, круглосуточно и без выходных.
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы составляют значительную часть рынка накопителей энергии. Но они дороги, связаны с добычей редких металлов и далеки от экологически устойчивых. Крайне важно найти менее вредную для окружающей среды альтернативу, и до сих пор ученые анализируют замену литий-ионным батареям с помощью таких сырьевых материалов, как натрий, магний и даже морская вода. Но в последние несколько лет энергетическая отрасль инвестирует в металло-воздушные батареи как решение следующего поколения для хранения энергии в сети.
Металло-воздушные батареи были впервые разработаны в 1878 году.
В технологии используется атмосферный кислород в качестве катода (приемник электронов) и металлического анода (отдающий электроны). Этот анод состоит из дешевых и широко доступных металлов, таких как алюминий, цинк или железо. «Эти три металла заняли лидирующие позиции в плане использования в металл-воздушных батареях», — говорит Йет-Минг Чанг, профессор электрохимии Массачусетского технологического института.
В 1932 году воздушно-цинковые батареи были первым типом металловоздушных батарей, широко использовавшихся в слуховых аппаратах. Три десятилетия спустя ученые НАСА и GTE Lab пытались разработать железо-воздушные батареи для космических систем НАСА, но в конце концов сдались. Тем не менее, некоторые исследователи гонятся за неуловимой технологией.
Ограничения и потенциал металло-воздушных аккумуляторов
Исследователи полагали, что теоретически металло-воздушные аккумуляторы могут иметь более высокую плотность энергии, чем литий-ионные, на протяжении более шести десятилетий.
Тем не менее, в прошлом им неоднократно не удавалось полностью раскрыть свой потенциал.
В литий-ионном аккумуляторе процесс выработки энергии прост. Атомы лития просто подпрыгивают между двумя электродами, когда батарея заряжается и разряжается.
Использование воздуха, однако, усложняет процесс и добавляет дополнительную проблему — сложность перезарядки. Кислород вступает в реакцию с металлом, создавая химическое вещество, которое затем запускает процесс электролиза, высвобождая энергию. Но вместо реакции, которая может идти вперед и назад, в металловоздушных батареях передача в большинстве случаев происходит только в одном направлении. Благодаря постоянному притоку атмосферного кислорода в металловоздушную батарею, как только вы ее запустите, батарея может быстро подвергнуться коррозии, даже если она не используется, и срок ее хранения будет ограниченным.
Кроме того, ватт-часы металло-воздушных батарей на килограмм, измеряющие запас энергии на единицу массы батареи, в настоящее время не являются исключительно высокими.
Это основная причина, по которой электромобили теперь не могут использовать металло-воздушные батареи, такие как железо-воздушные, говорит Чан Popular Science . “ Литий-ионные батареи имеют 100 ватт-часов на килограмм. Но для железа-воздуха это было всего 40 ватт-часов на килограмм. Скорость, с которой энергия сохраняется, а затем разряжается из батареи, относительно низка по сравнению с этим», — говорит он.
[Связанный материал: Нам нужны более безопасные способы утилизации аккумуляторов электромобилей и мобильных телефонов.]
Но он утверждает, что, несмотря на эти ограничения, стационарные накопители энергии могут использовать железо-воздушные батареи. В стартапе под названием Form Energy Чан и его коллеги разрабатывают новую, недорогую технологию железно-воздушных батарей, которая к 2024 году обеспечит многодневное хранение возобновляемой энергии. для электромобилей железо-воздушные батареи могут быть коммерчески масштабированы для хранения энергии и помогут смягчить последствия изменения климата к середине века», — добавляет Чанг, который также является главным научным сотрудником Form Energy.
Команда Чанга усовершенствовала процесс «обратного ржавления» в своей аккумуляторной технологии, которая эффективно накапливает и высвобождает энергию. Когда железо химически окисляется, оно теряет электроны, отправленные через внешнюю цепь батареи к воздушному электроду. Атмосферный кислород превращается в гидроксид-ионы на воздушном электроде, а затем переходит на железный электрод, образуя гидроксид железа, который в конечном итоге становится ржавчиной.
«Когда вы меняете направление электрического тока на аккумуляторе, он не ржавеет. В зависимости от того, разряжается батарея или заряжается, электроны либо забираются, либо присоединяются к железу», — объясняет Чанг. Он утверждает, что батарея может вырабатывать чистую электроэнергию в течение 100 часов по цене всего 20 долларов за киловатт в час — выгодная сделка по сравнению с литий-ионными батареями, которые стоят до 200 долларов за кВтч.
Но не только железо становится все более популярным металлом. Поскольку гонка за разработку устойчивых металло-воздушных батарей для хранения энергии ускоряется, несколько компаний и их исследователи заняты инвестированием в воздушно-цинковые и алюминиево-воздушные батареи.
[См.: Возобновляемая энергия нуждается в хранении. Эти 3 решения могут помочь.]
Материаловеды из Университета Мюнстера в Германии переработали конструкцию воздушно-цинковых батарей с новым электролитом, состоящим из водоотталкивающих ионов. В традиционных цинковых батареях электролиты могут быть едкими с высоким pH, что делает их достаточно агрессивными, чтобы повредить батарею. Исследователи решили эту проблему, обеспечив прилипание водоотталкивающих ионов к воздушному катоду, чтобы вода из электролита не могла реагировать с поступающим кислородом. Ионы цинка с анода могут свободно перемещаться к катоду, где они взаимодействуют с атмосферным кислородом и многократно генерируют энергию.
Пока исследователи приближаются к разработке перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей, канадская компания Zinc8 Energy уже представила свой продукт. На пуске используются воздушно-цинковые батареи с накопительным баком, содержащим гидроксид калия и заряженный цинк.
Электричество из сети расщепляет химический цинкат на цинк, воду и кислород. Это заряжает частицы цинка и накапливает электричество.
Когда электричество нужно подать в сеть, заряженный цинк синхронизируется с кислородом и водой, высвобождая накопленное электричество и производя цинкат. После этого весь процесс начинается заново. Группа объявила о выводе этих воздушно-цинковых батарей на мировой рынок, установив свою технологию в жилом доме с солнечными панелями в Квинсе, штат Нью-Йорк.
Как и железо, цинк широко доступен и имеет существующие цепочки поставок. Другой металл, который также широко распространен, а именно алюминий, также используется для разработки алюминиево-воздушных батарей. Но, в отличие от цинково-воздушных батарей, алюминиево-воздушные батареи не могут перезаряжаться, говорит Чанг. Углеродный след производства алюминия также выше, чем у других вариантов металло-воздушных батарей.
Ожидается, что к 2028 году мировой рынок металло-воздушных аккумуляторов достигнет 1 173 млн долларов США, в основном за счет решений для хранения энергии.
Но пока инвесторы, отраслевые аналитики и потребители с нетерпением ждут следующего крупного прорыва.
Аккумуляторный прорыв — Aerospace America
Автор Кит Баттон|март 2023 г.
Литий-воздушные батареи заинтриговали футуристов своим обещанием хранить гораздо больше электроэнергии, чем сегодняшние литий-ионные версии. Но у них всегда была ахиллесова пята: их нельзя было заряжать и разряжать снова и снова, как это требуется для коммерческих приложений, включая авиаперевозки. Кит Баттон поговорил с исследователями, которые совершили прорыв в этой части уравнения литий-воздух.
В кампусе Иллинойского технологического института исследователи ежедневно заходили в Перлштейн-холл, чтобы проверить свое детище — черно-серый диск размером с две сложенные стопкой десятицентовики с проводами, ведущими к компьютеру, на дисплее которого показывались измерения напряжения. Эта одноэлементная батарея была их попыткой продвинуть вперед исследования литий-воздушных батарей, все еще экспериментального класса, который мучил исследователей батарей и авиационных футуристов в течение как минимум десятилетия.
В чем прикол? Литий-воздушная батарея всасывает окружающий воздух и отбирает из него молекулы кислорода. Таким образом, нет необходимости в металлических полосках, которые в литий-ионных батареях подпитывают реакции окисления, сохраняющие электричество во время зарядки. Точно так же нет необходимости в графитовой решетчатой структуре, которая удерживает литий и поставляет ионы лития, чтобы электричество можно было получать от батареи. Однако наиболее важными могут быть прямые химические реакции лития с кислородом, которые приводят к накоплению большего количества электроэнергии, чем это возможно с реакциями оксида металла в литий-ионных версиях. На самом деле, по одной из оценок, литий-воздушные батареи когда-нибудь смогут хранить в пять раз больше электроэнергии на килограмм, чем батареи Теслы, что дает этим батареям потенциально гораздо более высокую удельную энергию.
Увеличьте одну ячейку в 10-15 раз и объедините тысячи из них, чтобы сформировать большую батарею, и несколько таких батарей, по оптимистичным оценкам, могли бы питать региональный самолет на 100 пассажиров.
Так почему же сегодняшние самолеты не летают на электричестве, питаемом литий-воздушными батареями? Ахиллесова пята заключается в том, что эти батареи слишком быстро изнашиваются при многократном цикле зарядки и разрядки. Исследователь Ларри Кертис из соседней Аргоннской национальной лаборатории установил неофициальный ориентир в 1000 циклов в качестве порога коммерческой жизнеспособности, и, следовательно, это будет включать авиацию.
В Перлштейн-холле в сентябре 2021 года исследователи под руководством Мохаммада Асади, доцента химического машиностроения, проверяли свое решение проблемы. В то время никто не производил сравнимую литий-воздушную батарею с ресурсом более 200 циклов. Они планировали довести свою батарею до отказа, чтобы увидеть, сколько циклов она выдержит. Ответ оказался чуть выше порога в 1000 циклов.
После этого Асади и его команда тогдашних докторантов Алиреза Кондори и Мохаммадреза Эсмаилирад, а также научный сотрудник Ахмад Мосен Харзанди привлекли других специалистов для анализа химического состава батареи.
Как Асади и его коллеги создали одноячеечную батарею, стоящую за прорывом в перезаряжаемости? Они начали с одного ключевого ограничения: чтобы быть практичным, батарея должна была работать при комнатной температуре. Предыдущие конструкции с комнатной температурой содержали жидкий электролит, материал, который переносит ионы между катодом и анодом. Но в 2019 году Асади решил создать твердотельную версию, то есть с твердым электролитом. Он не был уверен, насколько перезаряжаемой будет батарея, но как минимум видел два потенциальных преимущества: безопасность и возможность уменьшить вес и объем.
Жидкие электролиты, как правило, легко воспламеняются, что может создать плохую комбинацию в аккумуляторе. «У вас есть тепло; у вас есть кислород; у вас есть легковоспламеняющиеся материалы.
Это приводит к огню», — говорит он.
Твердотельная батарея — с твердым электролитом — будет легче и проще в производстве, чем батарея с жидким электролитом, который необходимо будет содержать. Твердый электролит также был бы несколько гибким, поэтому ему можно было бы придать любую удобную геометрическую форму.
«Это дает вам больше свободы и гибкости для масштабируемых приложений устройств в различных вариантах архитектуры», — говорит Асади.
Вопрос заключался в том, какой материал должен служить твердым электролитом. Сегодняшнее поколение литий-ионных аккумуляторов, питающих наши автомобили и телефоны, содержит жидкие электролиты, но Асади знал, что исследователи разрабатывают твердотельные версии. Он и его коллеги посмотрели на эти экспериментальные литий-ионные батареи и поняли, что им нужна альтернатива неудовлетворительным вариантам, которые они видели. Одним из таких вариантов была керамика, содержащая литий. Этот материал обладал высокой проводимостью, но он также создавал плохой электрический контакт с анодом и катодом.
Они решили смешать их таким образом, чтобы объединить лучшие черты обоих: Электролит, который позволяет легко проходить ионам, а также легко пересекать поверхности раздела с анодом и катодом. Они смешали партии альтернатив, проверили электрические свойства и подобрали ингредиенты для следующей партии, повторяя процесс, пока не остановились на своем лучшем кандидате. Победитель состоял из частиц керамики диаметром всего 70 нанометров — меньше половины размера зерна муки. Они покрыли эти зерна полимером, а затем смешали их с полиэтиленоксидом. Полимерное покрытие на каждой частице обеспечивало прочную химическую связь для прохождения ионов между керамическими частицами и полиэтиленоксидом.
Они смешали электролит в виде суспензии, вылили его на чашку Петри, дали ему высохнуть в течение трех дней при комнатной температуре, затем еще два дня высушивали при 50 градусах Цельсия (122 по Фаренгейту) в вакууме.
После испытаний в 2021 году Асади изучил результаты испытаний электролита на ионную проводимость, то есть насколько хорошо он пропускает ионы лития. «Это очень хорошо», — вспоминает он. Также впечатляла удельная энергия. Одноэлементная батарея хранила 685 ватт-часов на килограмм, и исследователи подсчитали, что с конструктивными изменениями они могли бы достичь как минимум 1000 Втч/кг. Это примерно в три раза больше, чем у самой современной литий-ионной батареи, но все же немного меньше прогнозируемого потолка, позволяющего превзойти батарею Tesla в пять раз.
Но самым захватывающим было преодоление порога в 1000 циклов. На тот момент команда Асади не знала точно, какие факторы в их ячейке привели к такому результату. Поэтому Асади договорился о звонке через Zoom со своим наставником Кертиссом, который около десяти лет исследовал литий-воздушные технологии в Аргонне, исследовательской лаборатории, финансируемой Министерством энергетики США.
«Результаты были просто потрясающими, — говорит Кертис.
Кертисс и Асади собрали команду из 17 человек, чтобы выяснить, что происходит внутри камеры. Они исследовали катод и электролит различными методами. В частности, они искали химические реакции, которые объясняли бы способность клетки к многократному циклу и большой емкости хранения. Они знали, что в литий-воздушной батарее ключевая реакция по выработке энергии происходит на катоде. Когда батарея разряжает электричество, ионы лития перетекают от литиевого анода через электролит к катоду. Там ионы реагируют с кислородом воздуха, образуя одно из трех возможных соединений: супероксид лития, для которого требуется один электрон лития на молекулу кислорода; перекись лития, для которой требуется два электрона; или литий, для которого требуется четыре электрона. Эти четырехэлектронные реакции обеспечат наибольшую накопительную емкость, но исторически только высокотемпературная литий-воздушная конструкция, включающая расплавленный электролит, достигала таких реакций. Анализ показал, что ячейка Асади создавала эти четырехэлектронные реакции во время циклов разрядки и перезарядки, впервые это сделала ячейка при комнатной температуре.
«Вот почему мы считаем, что это большой прорыв, — говорит Кертисс.
В частности, изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что литий в твердотельной ячейке осаждался на шероховатой поверхности катода в углублениях глубиной 500 нанометров. Во время перезарядки батареи литий разлагался по мере того, как ионы лития текли в другом направлении и вновь осаждали литий-металлический анод.
Исследователи считают, что способность батареи работать в течение многих циклов обусловлена двумя источниками: надежным ростом и разложением лития и твердым электролитом. Поскольку в батарее не было жидкости для контакта с катодом, было меньше путей для непреднамеренных химических реакций по сравнению с тем, что происходит внутри батареи с жидким электролитом.
«Вот почему мы думаем, что он может работать гораздо дольше: потому что вы не получаете этих побочных реакций, паразитных реакций, которые разрушают электролит или поверхность катода», — говорит он.
Реакции лития с четырьмя электронами также объясняют способность батареи Асади хранить 1000 Втч/кг электроэнергии. Чтобы представить это достижение в перспективе, Венкат Вишванатан, адъюнкт-профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, который не связан с исследованиями Асади и Кертисса, говорит, что батареи, способные обеспечить 1000 Втч/кг, на короткое время станут «преобразующими». дальний самолет. Холли Чизман, программный директор ARPA-E, Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики, считает 1000 Втч/кг вехой в разработке батарей — точкой, после которой некоторые более короткие рейсы могут стать электрифицированными.
Конкретные потребности в энергии для электрических самолетов будущего будут зависеть от того, как далеко они летят и сколько людей они несут. В то время как прототипы усовершенствованных самолетов с воздушной мобильностью сегодня питаются от литий-ионных батарей, ограниченная емкость батарей означает, что они могут питать только короткие полеты — десятки минут — с несколькими пассажирами.
Согласно статье, написанной в соавторстве с Viswanathan in Nature, батареи емкостью от 300 до 400 Втч/кг — это верхний предел того, что могут обеспечить литий-ионные батареи — могут питать усовершенствованные самолеты с воздушной мобильностью для внутригородских поездок. Пригородные самолеты до 19местам потребуется от 1200 до 1800 Втч/кг, а самолетам на 150-180 мест потребуется от 1800 до 2500 Втч/кг.
Но даже с прорывом в области литий-воздушных батарей с твердым электролитом, по оценкам Curtiss, потребуется еще от 10 до 15 лет разработки и расширения масштабов, прежде чем литий-воздушные батареи смогут питать самолеты. Он основывает свою оценку на графике разработки литий-ионных аккумуляторов, которые были задуманы в 1970-х годах.
«Мы попытаемся получить финансирование для масштабирования этого до коммерческого уровня», — говорит Кертисс, подчеркивая при этом, что предстоит еще провести лабораторную работу.
Впереди исследователи попытаются улучшить удельную энергию батареи и увеличить количество циклов перезарядки.
Кроме того, они попытаются снизить количество электроэнергии, необходимой для полной зарядки аккумулятора, что является его эффективностью зарядки, и увеличить скорость, с которой он может разряжать электричество, а затем перезаряжать, что является скоростью зарядки.
Что касается масштабирования, проблемы с литий-воздухом значительны, но не непреодолимы, говорит Чизман, руководивший исследованиями и разработками Rayovac Corp. в Мэдисоне, штат Висконсин, в 2004 году, когда компания пыталась разработать литий-9.0114 воздушная батарея.
«Проблемы, которые необходимо преодолеть, не обязательно являются более сложными, чем в случае любой химии аккумуляторов», — говорит Чизман, который использует местоимения «они/они». «Просто нужно много времени, чтобы решить проблемы, чтобы получить что-то коммерчески жизнеспособное».
Исследователи ожидают столкнуться с новыми проблемами по мере расширения технологии. «Одно дело, когда это работает как нечто размером с почтовую марку.
Совсем другое дело, когда он работает с размерами, необходимыми для самолета», — говорят они.
Получение достаточного количества материала может стать серьезной проблемой. Возьмем, к примеру, катод батареи. Создавая лабораторную версию, исследователи могут позволить себе роскошь делать материал по грамму за раз. Для более крупных батарей потребуются килограммы материала, а для их изготовления потребуются грузовые вагоны, заполненные им. Прямо сейчас «иногда эти материалы доступны только ложками», — говорит Чизман.
История современных литий-ионных аккумуляторов говорит о том, что проблема должна быть решаемой. «Еще в 1980 кто-то сказал: «Вот катодный материал, который может сработать», и он был доступен в граммах. Сегодня он доступен в тысячах, если не в миллионах тонн», — говорят они.
Вишванатан оптимистично предсказывает, что либо литий-воздушные батареи, либо другая технология батарей, которую он разрабатывает, литий-фторуглеродные батареи, будут питать электрические самолеты с самой большой дальностью полета примерно через десятилетие.
Он рассчитывает на пять лет, чтобы разработать науку, два или три года, чтобы расширить завод по производству аккумуляторов и линии поставок — заимствование из недавнего быстрого расширения заводов Tesla — и затем два или три года для сертификации FAA.
По словам Вишванатана, три технологии сократят сроки разработки сегодняшних аккумуляторов нового поколения по сравнению с поколением литий-ионных аккумуляторов. Машинное обучение теперь позволяет исследователям проводить гораздо больше виртуальных тестов на компьютере, прежде чем проводить лабораторные тесты. Роботы, круглосуточно работающие в лаборатории, могут смешивать и тестировать больше вариантов аккумуляторных материалов и быстрее, чем это возможно с людьми-тестерами.
«В цикле проектирования вы хотите как можно больше тестировать на компьютере, потому что это дешево», — говорит он. «Вы хотите сделать как можно больше в лаборатории, прежде чем вам придется выйти в поле».
Такие инструменты, как рентгеновская томография, в которой регистрируется отклонение рентгеновского луча при химической реакции с течением времени, и электронная микроскопия, в которой изображения записываются путем направления электронных лучей на реакцию, позволяют исследователям снимать «кинофильмы».
«атомов, чтобы точно увидеть, что происходит и что может пойти не так», — говорит Вишванатан. «Все эти вещи ускорят процесс обнаружения и оптимизации».
Команда Вишванатана из Университета Карнеги-Меллон создала робота для тестирования потенциальных электролитов без вмешательства человека. Тестирование альтернативных химикатов — будь то с помощью роботов или с помощью компьютерного моделирования — очень похоже на приготовление пищи. «Вы пытаетесь найти рецепт, — говорит он. «Это немного похоже на приготовление нового вида коктейля. Ты пытаешься правильно подобрать ингредиенты».
Как и в случае с приготовлением пищи, щепотка ингредиента или несколько ингредиентов могут иметь решающее значение.
«Добавки делают или разрушают аккумуляторы», — говорит Вишванатан. «Все они добавлены в небольших пропорциях, чтобы дать одну маленькую вещь».
Связанные темы
Исследования и разработки в области авиационных двигателейО Кейте Баттоне
Кит писал для C4ISR Journal и Hedge Fund Alert, где он сообщил новость о крахе хедж-фонда Bear Stearns в 2007 году, спровоцировавшем глобальный кредитный кризис.