Революция в области батарей только начинается
Как мне понравился портативный компьютер Macintosh, первый ноутбук Apple, который я купил вскоре после того, как он был представлен в 1989 году. Однако сегодня мое увлечение кажется довольно странным. Эта штука обошлась нам в 7300 долларов. На его дисплее не было подсветки. И, что самое поразительное, устройство весило более 7 килограммов—большая часть этого веса приходилась на свинцово-кислотную батарею.
Тридцать два года спустя ноутбуки питаются от гораздо более легких литий-ионных или литий-полимерных батарей, однако время автономной работы остается прежним— около 10 часов, как и в случае с портативным компьютером Macintosh. Батареи стали намного меньше, но они не решили Закон Мура.
Мы живем во времена работы на батарейках. Невероятные объемы капитала вкладываются в гигантские заводы, которые производят миллионы химических элементов в день, и реки денежных средств, поступают на исследования и разработки усовершенствованных батарей. Предстоит сколотить состояния и построить новые мегакорпорации. Батареи понадобятся не только для наших телефонов, ноутбуков, электроинструментов, автомобилей, кораблей и самолетов, но и для хранения энергии из возобновляемых источников. Батареи являются ключом к обезуглероживанию нашей экономики.Таким образом, огромные улучшения в батареях за последние 30 лет поразительны. Согласно недавнему исследованию, по показателю цены на энергоемкость литий-ионные аккумуляторы улучшались на 13 процентов в год с момента их коммерческого внедрения в 1991 году. Эти улучшения произошли по мере того, как батареи стали более экологичными, менее зависимыми от редкоземельных элементов, более простыми в изготовлении, надежными и долговечными.
Современные химические батареи могут вырабатывать только низкое напряжение, поэтому вам нужно взять много элементов и подключить их последовательно, чтобы получить высокое напряжение, или параллельно, чтобы они могли обеспечивать высокую мощность. Все современные батареи, в устройствах больших, чем мобильный телефон, состоят из множества меньших элементов питания. Даже обычные 9-вольтовые батареи содержат шесть отдельных цилиндрических 1,5-вольтовых элементов, упакованных два на три. Внутри каждой из этих ячеек находится химическая паста, в которой хранятся заряды.
Сегодня для электромобилей делаются большие прорывы в области батарей. Tesla, практически, является аккумуляторной компанией. Другие автомобильные компании скупают или инвестируют в стартапы по производству аккумуляторов, и в настоящее время каждый раунд финансирования составляет миллиарды долларов.
Для хранения в сетевом масштабе исследователи пытаются выйти за рамки небольших ячеек и экспериментируют с большими чанами, которые хранят энергию на стационарных батарейных фермах. Кроме того, сейчас мы начинаем проводить испытания по накоплению энергии в промышленных масштабах, в которых химия была заменена гравитацией. Большие грузы поднимаются на десятки метров, а затем опускаются, когда требуется мощность для привода генераторов.
Было бы здорово, если бы батареи могли улучшаться экспоненциально, по Закону Мура. Но этого никогда не случится. Гордон Мур сам сказал нам об этом в своей основополагающей статье в журнале 1965 года, в которой он предсказал, что мы сможем ежегодно удваивать количество компонентов в цифровой интегральной схеме в течение следующих 10 лет (оказывается, он был пессимистом). Он также сказал, что такого же повышения производительности не произойдет для устройств, которым необходимо накапливать энергию.
В цифровой электронике все, что вам нужно сделать, это определить, является ли двоичная цифра “1” или “0”. Фактическая величина тока, на которую может воздействовать напряжение, на самом деле не имеет значения. Таким образом, вы можете многократно уменьшать вдвое количество вещества в каждом транзисторе и при этом иметь работающую схему. Однако для батарей нам нужно хранить энергию в материале, используя обратимый механизм, чтобы мы могли использовать эту энергию позже. И поскольку мы упаковываем эту материю, как только можем, сокращение количества материи вдвое уменьшает количество энергии, которое мы можем хранить. Никакого соблюдения закона Мура не произойдет. Никогда!