Водневі акумулятори, що працюють на морозі

Колись вважалися простими джерелами живлення, а сьогодні батареї займають серце світової трансформації чистої енергії як одну з найшвидше зростаючих технологій, що формують наше майбутнє.

Серед типів акумуляторів літій-іонні акумулятори є кращим вибором для живлення всього, від мобільних телефонів до електромобілів (EV).

Літій-іонні акумулятори вперше з'явилися комерційно на початку 1990-х років, але попит для них зросла експоненціально за останнє десятиліття, збільшившись з лише 0.5 гігават-годин (ГВт·год) у 2010 році до приблизно 526 ГВт·год десятиліття потому.

А майже Зниження вартості літій-іонних акумуляторів на 90%, приблизно з 1,400 доларів США за кВт⋅год у 2010 році до 140 доларів США за кВт⋅год у 2023 році, у поєднанні з досягненнями в щільності енергії та тривалості циклу, посилило їхнє домінування в застосуванні для електромобілів та накопичення енергії.

Однак великою проблемою акумуляторних батарей, таких як літій-іонні елементи, є те, що вони не люблять холоду.

Чому акумулятори виходять з ладу на морозі (і як інженери це виправляють)

Акумулятори погано працюють в холодних умовах. Цей це пов'язано з їхніми внутрішніми електрохімічними реакціями, які сповільнюються за мінусових температур.

Більшість акумуляторів мають три основні частини:

• електроди
• Електроліт
• сепаратор

У батареї є два електроди, і обидва зроблені з провідних матеріалів. Один електрод, відомий як катод, підключається до позитивного кінця батареї, і це де електричний струм залишає акумулятор під час розряду. Інший електрод, відомий як анод, з'єднується з негативним кінцем акумулятора, і саме тут електричний струм надходить до акумулятора під час розряду. 

Ці два зберігаються відокремлений використання роздільника для запобігання короткому замиканню. Між цими електродами знаходиться рідкий електроліт, який містить електрично заряджені частинки або іони. З'єднуючись з матеріалами, з яких складаються електроди, електроліт викликає хімічні реакції, що дозволяють акумулятору генерувати електричний струм.

In випадок літій-іонних акумуляторівЕлектроліт зазвичай являє собою розчин солі літію, яка переносить частинки, що несуть заряд (іони), між електродами акумулятора. Але коли він холодний, іони сповільнюються і не можуть належним чином працювати з електродами, що впливає на здатність акумулятора генерувати необхідний струм, перш ніж він розрядиться. 

Більше того, якщо на електроді осідає занадто багато літію, це може призвести до короткого замикання та спричинити пожежу.

Отже, холодна погода серйозно впливає на термін служби акумулятора. Як ефективність, так і корисна ємність акумулятора зменшуються значно. Опитування AAA минулого року показав що зменшення запасу ходу протягом зими та побоювання щодо повільнішої зарядки сприяли уповільненню розвитку електромобілів.

Щоб подолати цю проблему, компанії по всьому світу працюють над новими та вдосконаленими хімічними складами акумуляторів. 

Так, наприклад, Китайський акумуляторний гігант CATL анонсувала друге покоління своїх натрій-іонних акумуляторів, які можуть розряджатися за температури до мінус 40 градусів Цельсія та мають посилені заходи безпеки, прагнучи перевищити 200 ват-годин на кілограм за щільністю енергії. 

Хоча кажуть, що натрій-іонні акумулятори безпечніші та стійкіші до холоду, ніж літій-іонні, вони мають нижчу щільність енергії та вищі виробничі витрати.

Тим часом інженери Мічиганського університету розробив модифікований виробничий процес¹ для акумуляторів електромобілів, що забезпечують великий запас ходу та швидку зарядку в холодну погоду.

Команда створила доріжки розміром 50 мікрометрів в аноді та нанесла 20-нм товщину покриття зі склоподібного матеріалу, виготовленого з борату-карбонату літію, щоб запобігти утворенню літієвих покриттів на електродах акумулятора. Літій-іонні акумулятори для електромобілів, виготовлені з цими модифікаціями, можуть заряджатися на 500% швидше при температурі -10 °C та зберігати 97% своєї ємності навіть після 100 швидких зарядок за таких низьких температур.

«Вперше ми показали шлях для одночасного досягнення надзвичайно швидкої зарядки за низьких температур без шкоди для щільності енергії літій-іонного акумулятора».

– Співавтор Ніл Дасгупта, доцент кафедри машинобудування та матеріалознавства й інженерії Університету Мічигану

Інші є оптимізація рецептур електролітів та модифікація анодних матеріалів, будівля спеціалізована технологія акумуляторів, включаючи товстішу ізоляцію з вбудованими нагрівачами, пропонуючи розумна зарядка з контролем температури² та представлення алгоритму прогнозного керування³ для регулювання температури акумулятора, серед інших рішень.

Серед цих постійних досягнень у галузі матеріалів, електролітів та інших технологій для вирішення проблем, з якими стикаються акумулятори в холодну погоду, вчені також досліджують альтернативні системи зберігання енергії, такі як акумулятори на основі водню.

Водневі акумулятори: як вони працюють і чому вони важливі

Водень – це чисте джерело енергії, яке при споживанні в паливному елементі виробляє лише воду. Це енергоносій, який може зберігати та передавати енергію, що виробляється з інших джерел.

Водень, найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті, може бути отриманий з природного газу, біомаси та ядерної енергії, а також з відновлюваних джерел, таких як вітер та сонце.

Цей безбарвний, без запаху та легкозаймистий газ також є ключовим компонентом води та всіх органічних сполук.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Водень насправді є ключовим компонентом Сонця. Він перетворюється на енергію через процес ядерного синтезу в його ядрі. Під величезним тиском і теплом атоми водню зливаються, утворюючи гелій, вивільняючи величезну кількість енергії. Ця енергія потім поширюється назовні через шари Сонця та випромінюється в космос у вигляді світла та тепла. 

На землі, водень є привабливим варіантом палива та пропонує довший термін служби акумулятора порівняно з літій-іонними акумуляторами. 

Щоб оцінити технічні та фінансові характеристики системи зберігання енергії на водневих батареях та літій-іонної батареї, дослідники з Університету Нового Південного Уельсу (UNSW) оцінюється⁴ дві комерційно доступні системи, LAVO та Tesla Powerwall 2. Вони виявили, що перша має більші втрати енергії. 

Однак, водневі акумулятори були знайдені мати меншу деградацію ємності та вищу щільність енергії, ніж літій-іонні акумулятори, що дозволяє їм зберігати більше енергії протягом тривалішого часу. Їхня здатність витримувати на 18% більше циклів заряду-розряду, ніж літій-іонний акумулятор, робить їх «придатними для віддалених застосувань, що вимагають тривалого зберігання енергії».

Окреме дослідження, проведене Університетом науки і технологій Китаю (USTC) розробив нову систему хімічних акумуляторів⁵ для безпечнішого та сталішого майбутнього для систем, що працюють на батарейках.

Хоча сучасні водневі акумулятори використовують H2 як катод, що обмежує їхній діапазон напруги та ємність накопичення енергії, дослідницька група USTC запропонувала використовувати його як анод. Команда розробила прототип, що містить літієвий анод, твердий електроліт та шар газодифузії з платиновим покриттям, який діє як водневий катод.

Команда повідомляє про теоретичну питому енергію до 2,825 Вт·год/кг, розряд ~3 В та ефективність повного пробігу 99.7% у своїй конфігурації Li-H, що вказує на значний потенціал, хоча показник 2,825 Вт·год/кг не є реалізованим вимірюванням на рівні батареї.

Щоб підвищити економічну ефективність, команда створила літій-гідридний акумулятор без анода. Тут показано осадження літію. було отримано від солей літію під час заряджання. Покращена версія забезпечує ефективне покриття та зачистку літію та стабільно працює навіть за низьких концентрацій водню, тим самим зменшуючи залежність від зберігання водню під високим тиском.

Порівняно зі звичайними нікель-водневими акумуляторами, система Li-H пропонує покращену щільність енергії та ефективність, що відкриває шлях для майбутніх досліджень у сфері застосування технології Li-H акумуляторів.

Незважаючи на численні переваги водню для зберігання чистої енергії, його зберігання непросте. Фактично, зберігання є серйозною проблемою при використанні водню.

Електроліт Ba–Ca–Na гідриду, який відкриває можливості для зберігання водню за низьких температур

Зберігання водню вимагає або надзвичайно низьких температур (−252.8 °C), або високого тиску (від 350 до 700 бар), або обох. Зберігання його у твердому стані дозволяє уникнути ризиків безпеки, пов'язаних з газовими балонами високого тиску, але воно стикається з матеріальними обмеженнями за низьких температур.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники з Токійського інституту науки (Science Tokyo) досліджували електрохімічне зберігання водню за допомогою гідрид-іонів, що призвело їх до... відкриття перспективного твердого електроліту, що проводить гідридні іони⁶ з системи барію, кальцію та гідриду натрію.

Повідомлялося, що поєднання іонів різних розмірів має суперіонну провідність, і саме для цього дослідники й дослідили це. прийшли об'єднати їхні іони: BaH2-CaH2-NaH.

Отриманий твердий електроліт, анти-α-AgI-типу Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, має чудову електрохімічну стабільність та провідність гідрид-іонів (H–). 

Це Примітно, що електрохімічна стабільність фактично дозволяє гнучке з'єднання з багатьма металогідридними електродами. Таким чином, електроліт добре працює з кількома металоводневими електродами, такими як гідрид титану та гідрид магнію (MgH2), що дозволяє високоємне, оборотне зберігання водню за низьких температур.

У початкових експериментах дослідники випробували свій електроліт у системі, де він був put між TiH2 (дигідридом титану is сполука титану та водню) та титанові електроди порівняння, а також струмозбірники з ацетиленової сажі та молібдену. 

Цей дозволило дослідникам знайти стабільне потенціальне вікно твердого електроліту, яке є найкращим ever повідомляється.

Висока провідність H– також повідомлялося дослідниками, що було пов'язано з об'ємно-центрованою кубічною (ОЦК) структурою електроліту. Ця структура має нижчу щільність упаковки, що забезпечує «відкритий шлях для іонного транспорту». Високополяризуючі катіони в каркасі також були відповідальні за високу іонну провідність.

Потім, щоб перевірити здатність своїх електролітів зберігати водень, дослідники створили елемент з використанням MgH2.

MgH2 – це хімічна сполука, яку вивчають для зберігання водню завдяки її високій ємності та низькій вартості. Цей матеріал можна інтегрувати у систему, подібну до акумулятора, де водень зберігається та вивільняється під час заряджання та розряджання. Однак його використання було обмежено через небажані побічні реакції, погане поглинання водню та зворотну десорбцію, а також необхідність температур до 300 °C і вище.

Але дослідникам вдалося отримати Mg-H2 елементи, що працюють як пристрої для зберігання водню, продемонструвавши ємність 2,030 мАг/г при 90°C.

Від 300–400 °C до ~90 °C: практичний низькотемпературний водневий акумулятор

Нова воднева батарея від дослідників Science Tokyo подолала обмеження низької ємності та високих температур, властиві попереднім методам. Замість роботи при температурі 300-400 градусів Цельсія (572-752 градуси Фаренгейта), яка... потрібен Для сучасних підходів до твердотільного зберігання водню ця батарея працює при температурі 90 °C (194 градуси Фаренгейта).

Акумулятор працює шляхом міграції гідридних іонів через твердий електроліт, що дозволяє гідриду магнію (MgH2) накопичувати та вивільняти водень багаторазово на повну потужність.

Завдяки цій розробці дослідники пропонують практичний спосіб зберігання водневого палива, прокладаючи шлях для транспортних засобів на водневому паливі та систем чистої енергії.

«Ми продемонстрували роботу Mg-H2 акумулятора як безпечного та ефективного пристрою для зберігання водневої енергії, досягнувши високої ємності, низької температури та оборотного поглинання та вивільнення газоподібного водню».

– Доцент Наокі Мацуї

Хоча водневі акумулятори з твердотільними компонентами вже існують, вони потребують високих робочих температур. Однак новий водневий акумулятор може досягти повної теоретичної ємності анода MgH2 та високої іонної провідності за кімнатної температури. Це завдяки твердому електроліту Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85.

Електроліт, що складається з барію (Ba), кальцію (Ca) та гідриду натрію (NaH), може переміщувати іони гідриду (H–) продуктивно.

Він має кристалічну структуру (анти-α-AgI-тип), відому своєю суперіонною провідністю. У цій структурі Ba, Ca та Na займають об'ємно-центровані позиції, тоді як гідрид-іони рухаються через спільні грані, октаедричні та тетраедричні сайти, що забезпечує їх вільну міграцію. 

Цей новий акумулятор функціонує як літій-іонний, але замість переміщення позитивно заряджених іонів через електроліт, він використовує гідридні іони, які несуть негативний заряд і можуть проходити крізь його кристалічну структуру.

В акумуляторі використовується гідрид магнію (MgH2) як анод, а газоподібний водень (H2) як катод. 

Під час заряджання анод MgH2 вивільняє гідридні іони, які мігрують через новий електроліт до катода, де вони окислюються з виділенням газоподібного водню.

Під час розрядки процес відбувається у зворотному напрямку, газоподібний водень на катоді зменшується до гідрид-іонів, через хімічну реакцію, яка рухається через електроліт до анода, де реагує з Mg, утворюючи MgH2. Окисно-відновна реакція (окисно-відновна реакція) призводить до втрати негативно зарядженим анодом електронів, які течуть по зовнішньому колу до катода з чистим позитивним зарядом, тим самим забезпечуючи живлення підключених систем.

Цей дозволяє твердотільній комірці зберігати а також вивільняти H2, коли це необхідно, за температур трохи нижче точки кипіння води.

Використовуючи цю комірку, дослідники досягли повної теоретичної ємності зберігання MgH2 протягом багаторазових циклів. Ємність 2,030 мАг на грам набагато вища, ніж у літій-іонних акумуляторів, які... між ними 154 та 203 мАг на грам.

«Ці властивості нашої водневої батареї раніше були недосяжні за допомогою звичайних термічних методів або рідких електролітів, що пропонує основу для ефективних систем зберігання водню, придатних для використання як енергоносії».

– Такаші Хіросе, провідний автор дослідження та доцент in Інститут хімічних досліджень (ICR) Кіотського університету

Хоча акумулятор ще не готовий до використання в наших повсякденних речах, це це прорив у накопиченні водневої енергії за значно нижчих температур, ніж це було можливо раніше, мощення шлях до ефективнішого та легшого зберігання водню. 

Цей може призвести до заміни водневих акумуляторів важкі літій-іонні акумулятори, які деградують та зменшене обличчя ефективність з часом в електромобілях.

Більше того, дозволяючи зберігати водень без потреби в системах високого тиску, екстремальному охолодженні або високих робочих температурах, ця нова конструкція акумулятора може сприяти використанню водню як зеленого джерела енергії та прискорити поточний перехід до зеленої енергії.

Зараз дослідники планують розробити тверді електроліти та електродні матеріали з вищою іонною провідністю. Вони також працюватимуть над конструкціями пристроїв з нижчими робочими температурами та покращеною енергоефективністю.

Інвестування в технологію водневих акумуляторів

Корпорація Bloom Energy (BE ) займається проектуванням та виробництвом твердооксидних паливних елементів (SOFC). Її система паливних елементів забезпечує виробництво електроенергії на місці для виробництва напівпровідників, центрів обробки даних, великих комунальних підприємств та інших секторів. Вона розгорнула загалом 1.5 ГВт потужності на понад 1,200 установках по всьому світу. 

Компанія має два продукти: електролізер Bloom для виробництва водню та енергетичний сервер Bloom для вироблення електроенергії.

Що стосується ринкових показників Bloom, то цього року компанія переживає значне зростання. З початку року акції BE зросли на 391%, досягши історичного максимуму (ATH) у $125.75 лише цього місяця. Таким чином, прибуток на акцію (TTM) становить 0.11, а коефіцієнт P/E (TTM) – 1 013,28.

Що стосується фінансового становища компанії, Bloom повідомила про дохід у розмірі 401.2 млн доларів за другий квартал 2025 року, що на 19.5% більше, ніж у аналогічному кварталі минулого року. Її валова маржа становила 26.7%, а валова маржа без урахування GAAP – 28.2%, тоді як її операційний збиток за цей період склав 3.5 млн доларів.

«Оскільки потужність на місці стає дедалі більш очевидною, враховуючи швидке зростання штучного інтелекту, ринкова привабливість продуктів Bloom ще ніколи не була такою високою. На відміну від альтернатив, наші продукти спеціально розроблені для цифрової революції».

– Засновник і генеральний директор К. Р. Шрідхар

Після співпраці з Oracle щодо забезпечення електропостачанням своїх центрів обробки даних зі штучним інтелектом на місці, Bloom Energy тепер співпрацює з Брукфілд (NYSE: BAM), яка інвестує до 5 мільярдів доларів у впровадження своєї технології паливних елементів. Разом вони «створюють новий план для масштабного впровадження штучного інтелекту».

Останні новини та події щодо акцій Bloom Energy Corporation (BE)

Висновок

Завдяки високій енергоефективності, високій щільності енергії та тривалому терміну служби, літій-іонні акумулятори стали популярним вибором для електромобілів, а також для накопичення енергії. Але, звичайно, холодна погода створює великі труднощі для цих акумуляторів, спричиняючи зниження їхньої ємності та ефективності. 

Оскільки вчені та компанії по всьому світу вдосконалюють конструкції акумуляторів наступного покоління, водень набирає обертів як енергоносій та паливо майбутнього.

Новий водневий акумулятор із твердим електролітом знаменує собою важливу віху завдяки своїй здатності зберігати та вивільняти водень за надзвичайно низьких температур, у чотири рази холодніших, ніж у попередніх моделей. Забезпечуючи стабільну роботу та повну теоретичну ємність, цей прорив може дозволити створення щільніших та довговічних акумуляторів для електромобілів, що значно покращить їхню продуктивність в екстремальних кліматичних умовах.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих запасів акумуляторів.

Список використаної літератури:

1. Чо, Т.Г., Чен, Ю., Ляо, Д.В., Казяк, Е., Пенлі, Д., Джангід, М.К., і Дасгупта, Н.П. (2025). Забезпечення швидкої зарядки літій-іонних акумуляторів струмом 6C за мінусових температур завдяки інженерії інтерфейсів та 3D-архітектурам. Джоуль, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Руан, Г. та Дале, Массачусетс (2025). Розумна зарядка з контрольованою температурою для електромобілів у холодному кліматі. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Інтегрована оптимальна швидка зарядка та активне терморегулювання літій-іонних акумуляторів за екстремальних температур навколишнього середовища. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, MU, Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Оцінка водневих та літій-іонних акумуляторів у дахових сонячних фотоелектричних системах. Журнал накопичення енергії, 86(Частина А), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Лю, З., Ма, Ю., Хан, Н.А., Цзян, Т., Чжу, З., Лі, К., Чжан, К., Лю, С., Се, З., Юань, Ю., Ван, М., Чжен, X., Сунь, Дж., Ван, В., Мен, Ю., Сю, Ю., Чуай, М., Ян, Дж., і Чень, В. (2025). Акумуляторні літій-водневі газові батареї. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Хіросе, Т., Мацуї, Н., Іто, Т., Хінума, Ю., Ікеда, К., Гото, К., Цзян, Г., Сузукі, К., Хіраяма, М., і Канно, Р. (2025). Високоємне, оборотне зберігання водню з використанням твердих електролітів, що проводять водень. Наука, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996