Проблема изготовления энергоемких аккумуляторов приобретает особое значение в связи с быстрым развитием транспорта. Автомобили пожирают запасы дорогостоящего горючего и загрязняют атмосферу. В 1898 году француз Ж. Шасслу-Лоба достиг на электромобиле скорости 63 км/ч. А через год гонщик К. Иенатци установил мировой рекорд скорости на суше - почти 160 км/ч на машине, оборудованной аккумуляторной батареей массой около 2 т. Между тем в Чикаго в начале XX века количество электромобилей приблизительно вдвое превосходило количество машин с бензиновыми двигателями. В чем же дело? Почему до сих пор автомобилестроители не перешли на экологически безопасную электроэнергию? Увы, главная проблема как раз и заключается в аккумуляторах. Ведь современный свинцово-кислотный аккумулятор весом пять с половиной килограммов, может накопить и удержать в себе столько энергии, сколько ее заключено... в рюмке бензина! Сорок литров бензина - емкость бака обычной легковой машины - по заключенной в них энергии равноценны энергии аккумуляторных батарей весом четыре с половиной тонны. А время заряда-заправки? Сорок литров бензина вы зальете за пять, ну, за десять минут. Перезарядка же аккумуляторов тянется часами.
Электромобили не вписываются и в общий темп существующего дорожного движения. Такие машины медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Их максимальная скорость и дальность пробега между перезарядками аккумулятора невелики. Так что пока эта техника, на радость нефтегазовым королям, не конкурентоспособна.
Однако технологии химических источников питания не стоят на месте. Существуют серно-натриевые и хлорно-литиевые аккумуляторы с удельной емкостью раз в десять, а то и в двенадцать большей, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Натрий - металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет контейнер из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство контейнера - его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана - непреодолимый барьер. Следовательно, керамика играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °С, для успешного протекания электрохимической реакции их нужно нагреть до 300 °С, не ниже. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом требуемая температура поддерживается за счет тепла, выделяемого в ходе химической реакции.
Серно-натриевый элемент недорог. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если прибавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попытаемся перечислить и недостатки. Сера и натрий - огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают герметическую оболочку. И натрий так активно соединяется с водой, что эта реакция близка взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при использовании.
Похож и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь!.. Конечно, бензин тоже не такое уж безопасное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к особенностям бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы мы относимся пока настороженно.
Тем не менее созданы очень интересные электрические консервы. Вот, например, литиево-никельгалоидный аккумулятор. В нем работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Этот аккумулятор не требует подогрева, не выделяет газ, что позволяет сделать его совершенно герметичным. Энергоемкость его - на уровне супераккумуляторов, описанных выше, а процесс зарядки длится лишь несколько минут. Только вот мощность его невелика.
Литий-серные аккумуляторы Разрабатываются также дешевые аккумуляторы системы Li/S с рабочим напряжением 2,1В. Электроды этих аккумуляторов покрыты полимерной пленкой, причем катод находится практически в жидком состоянии. Интерес к этой электрохимической системе определяется рядом очевидных достоинств:
- теоретическая удельная энергия ее составляет 2600 Вт•ч/кг что в 4 раза выше чем у литий полимерных аккумуляторов;
- присущий природе системы внутренний механизм безопасности позволяет отказаться от компонентов защиты;
- допустимая высокая скорость разряда (до 10 С);
- низкая цена материалов, при которой стоимость аккумулятора соизмерима со ценой никель-кадмиевого;
- широкий диапазон рабочих температур (от -40 °С);
- экологическая безопасность.
Представляют интерес также аккумуляторы для электромобилей системы Li/FeS2 с расплавленным электролитом, которые работают при температуре 400-500 °С. Интерес к этой системе обусловлен тем, что теоретическая удельная энергия ее составляет 1270 Вт•ч/кг, а катодный материал недорогой и нетоксичен. Уже появились сообщения о разработке аккумуляторов системы Li/FeS2 с полимерным электролитом, диапазон рабочих температур которого лежит в диапазоне 90-130 °С. Ведутся дальнейшие работы по снижению рабочей температуры.
Гибридные энергетические системы Представляют интерес разработки по созданию гибридных энергетических систем, в которых объединены высокоемкие, но маломощные источники тока (например, воздушно-цинковые элементы) и источники тока, способные к разряду большими токами, вроде литий-ионных батарей или ионисторов. В этом случае при переменной нагрузке удается извлечь энергию большую, чем суммарная энергия обоих источников тока, и при более высоком напряжении.
Топливные элементы Интересное и перспективное направление - разработка топливных элементов. Правда, отдельные исследователи считают, что эти системы относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы (ЭХГ). В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит прямо в электрическую энергию. Вот, например, как работает водородно-кислородный топливный элемент: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь газ ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят сквозь ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода - единственный выхлоп такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли? Тем более что в качестве топлива может использоваться не только сжиженный водород, но и другие вещества.
Интенсивно ведутся исследования по созданию топливных элементов, портативных и мощных, на различном топливе: метаноле, боргидриде, бутане, даже обычном дизельном. Пока их стоимость чересчур велика, но прогноз на возможность снижения цены вполне оптимистичен.
Сразу несколько компаний, среди которых NEC Corp., Manhatten Scientifics Inc., MTI Microfuel Cells Inc., Toshiba Corp., объявили о начале выпуска в 2005 г. топливных элементов для портативной электротехники, в первую очередь для сотовых телефонов и ноутбуков.
Пока характеристики топливных элементов находятся на уровне характеристик литий ионных аккумуляторов, но теоретически достижимые характеристики в 5 раз выше. Специалисты предсказывают существенный рост производства таких источников тока в ближайшие 5 лет. При этом, так как портативные топливные элементы обычно имеют заменяемые картриджи, возникнет потребность в их массовом выпуске.