Электрический автомобиль Nissan Leaf, который поступит в продажу будущей осенью, стоит $33 000. При этом сама двухдверная машина обходится в $16 500, а еще столько же приходится отдавать за аккумулятор. Электрический грузовик eStar, разработанный компанией Navistar, будет продаваться за $150 000, потому что его батарея стоит $75 000. И цена электрических батарей не единственная проблема. Ни Leaf, ни eStar не смогут проехать на одном заряде больше 160 км.
Оба этих автомобиля питаются от тех же литиевых аккумуляторов, которые стоят на вашем ноутбуке. Непривлекательность электрического автомобиля связана с тем, что батареи дорого стоят и слишком много весят. Запас энергии литиево-ионной батареи в лучшем случае 110 В*ч. Запас бензинового двигателя — 6000 В*ч. Но бензиновый мотор неэффективен — 85% энергии теряется на передачу, холостой ход или рассеивается в виде тепла. Электрический мотор теряет лишь 10% энергии, но весит в 9 раз больше бензинового.
Производители батарей, несомненно, двигаются вперед, снижают стоимость литиево-ионных батарей и повышают их эффективность. Но все в отрасли солидарны в том, что пора придумывать что-то совсем новое.
«Никто не надеется, что литиево-ионная батарея способна хотя бы удвоить плотность энергии, — говорит Уинфрид Уилке, менеджер по наноразработкам одного из подразделений IBM. — А нам нужно куда большее».
Уилке работает в группе исследователей, разрабатывающих емкий аккумулятор. Их батарея сможет запасать в семь раз больше энергии, чем существующие, надеется Уилке, — т. е. около 800 В*ч. Это означает, что 50-килограммовая батарея будет соревноваться с 40-литровым бензобаком.
Вся хитрость в том, чтобы научиться использовать что-то легкое и легкодоступное — воздух. IBM и другие производители, включая Toyota и крошечную компанию PolyPlus, работают над так называемыми металлическо-воздушными батареями. Один электрод сделан из металла (литий — самый многообещающий материал), а другой — из воздуха. Такой тип батареи легче хотя бы потому, что в нем не будет второго электрода. Принцип работы, рассказывает Уилке, похож на сгорание бензина, а тот в свою очередь стал основным источником энергии исключительно потому, что кислород, с которым он взаимодействует, не нужно повсюду таскать с собой.
Преимущества металлическо-воздушных батарей уже давно известны, а цинково-воздушные батареи производятся в массовом порядке и используются в небольших устройствах, например слуховых аппаратах. Но никто пока не придумал, как их увеличить и превратить в аккумуляторы, поэтому до сих пор этот проект не столько коммерческий, сколько научный.
Цель разработчиков — автомобильный аккумулятор, способный перевезти семейство из четырех человек на 800 км. IBM так и называет свою программу — «Проект Батарея 500». В Сенат даже поступил законопроект, сулящий $10 млн разработчику коммерчески жизнеспособной батареи для электрического автомобиля, позволяющей проехать 800 км.
Батареи включают положительный электрод — катод — и отрицательный — анод. В литиево-ионной батарее анод, часто изготовленный из графита, аккумулирует при зарядке ионы лития. В батарее также есть катод из смеси лития, кобальта, железа, кислорода или фосфора, который собирает ионы наподобие того, как парковка собирает автомобили. Но есть проблема. «Вес автомобилей гораздо меньше веса здания, — объясняет Уилке, — полезные ионы просто незаметны на фоне материала катода».
В литиево-воздушной батарее анод изготовлен из чистого лития, легчайшего металла в периодической системе, и почти весь используется для производства энергии. Катод — не тяжелый металлический сплав, а воздух. Литий, будучи крайне реактивным, соприкасается с воздухом и вступает в реакцию с кислородом в легковесном пористом угольном составе. Это создает литиевую перекись и выпускает два электрона, которые выходят на контур и производят электрическую энергию.
Вопрос в том, можно ли перезарядить такую батарею. Уикле говорит, что его группа доказала: батарея все-таки заряжается.
Другая трудность состоит в том, что литий не должен соприкасаться с водой, а в воздухе присутствуют ее пары. PolyPlus, компания, основанная учеными Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, считает, что нашла решение проблемы. Это тонкая керамическая мембрана, в которую помещен литий; она пропускает ионы лития и задерживает воду. «Не понимаю, как можно поставить литиево-воздушную батарею на коммерческий поток без использования нашей технологии», — говорит Стивен Виско, основатель и главный технолог PolyPlus.
Уикле утверждает, что к 2012-му IBM создаст лабораторную модель заряжаемой батареи, а демоверсию такого же аккумулятора для электромобиля — уже к середине десятилетия. А пока, если вы покупаете электромобиль, будьте готовы останавливаться у каждой заправки.