Современные электрохимические источники тока
Повсеместное развитие мобильных устройств и принципиальная исчерпаемость горючих полезных ископаемых ставят перед наукой и технологией необходимость разработки новых более эффективных и дешевых источников энергии. Несмотря на прогресс в этой области, источники тока все еще остаются слабым звеном во многих областях. Например, в индустрии мобильных устройств батарей смартфонам хватает на пару суток работы. В автомобильной промышленности серийно выпускаемый электромобиль только несколько лет назад перешагнул планку и может проехать 400 км на одном заряде батареи, тогда как обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания легко проезжает порядка 600 км с одной заправкой. В системах запасания энергии для солнечных батарей или ветряных электростанций используемые аккумуляторы имеют десятилетние сроки окупаемости, сопоставимые с их сроком службы.
Сейчас можно выделить три главных направления, в которых сосредоточены основные усилия исследователей и разработчиков в области электрохимических источников тока – топливные элементы (Fuel Cell или FC) c ионообменными мембранами, литиевые источники тока (захватившие рынок Li-ion и перспективные Li-air ) и суперконденсаторы (Supercapacitor или SC).
FC в паре с электромотором имеют принципиальное преимущество перед двигателями внутреннего сгорания из-за отсутствия ограничений, накладываемых теоремой Карно на тепловые машины, - имеют возможность достигать КПД под 90% при комнатных температурах. Однако, FC не получили широкого распространения, так как не преодолен барьер цены, срока службы и устойчивости работы.
Батареи Li-ion имеют массу преимуществ перед старыми типами аккумуляторов, но остаются проблемы связанные с невозможностью быстро заряжать батарею, ограниченным сроком службы и сравнительно малой удельной энергией и удельной мощностью батареи. Разработанные недавно батареи Li-air имеют почти в десять раз большую удельную энергию, но удельная мощность недостаточная высока, а перезаряжение оказывается практически невозможным.
Выдерживающие 100000 и более циклов SC, хотя и имеют большую удельную мощность, чем остальные источники, но обладают при этом наименьшей удельной энергией. К тому же, остается актуальной технологическая проблема - уменьшения тока саморазряда SC.