Если зерно везет телега, запряженная волами, то сколько мешков зерна доедет до рынка? С подобной проблемой сталкивается любая транспортная система, в которой транспортное средство перевозит собственное топливо. Ключевым значением здесь является плотность энергии, выраженная по отношению к массе или объему.
Эра больших океанских лайнеров с паровым двигателем началась во второй половине 19 века, когда основным видом топлива были дрова. Но ни на одном из лайнеров дрова не использовались, так как для пассажиров и грузов тогда бы не оставалось места. Мягкая древесина, такая как у ели или сосны, содержит менее 10 мегаджоулей на литр, тогда как КПД каменного угля в 2,5 раза больше энергии по объему и как минимум в два раза больше по массе. Для сравнения, у бензина - 34 МДж/л, а у дизеля - около 38 МДж/л.
Но в мире, который стремится отказаться от всех видов топлива (кроме водорода или, возможно, аммиака) и в тоже время все электрифицировать, предпочтительным показателем плотности накопленной энергии является ватт-час на литр. По этому показателю высушенная древесина содержит около 3 500 Вт-ч/л, энергетический уголь - 6 500, бензин - 9 600, авиационный керосин - 10 300, а природный газ (метан) - всего 9,7 или менее 1/1 000 плотности керосина.
Как батареи соотносятся с топливом, которое они должны вытеснить? Первая практичная батарея - свинцово-кислотный элемент Гастона Планте, представленный в 1859 году, выросла с менее чем 60 Вт-ч/л до примерно 90 Вт-ч/л. Никель-кадмиевая батарея, изобретенная Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, в настоящее время имеет емкость более 150 Вт-ч/л. А лучшими массовыми на сегодняшний день являются литий-ионные батареи, первые коммерческие версии которых появились в 1991 году. Наилучшая плотность энергии, доступная в настоящее время в коммерческих литий-ионных батареях, составляет 750 Вт-ч/л и используется в электромобилях. В 2020 году компания Panasonic обещала, что к 2025 году она достигнет показателя 850 Вт-ч/л (и без дорогостоящего кобальта). В конечном итоге компания намерена достичь показателя в 1 000 Вт-ч/л.
За последние 50 лет максимальная плотность энергии серийно выпускаемых батарей увеличилась примерно в пять раз.
Заявления о новых рекордах плотности энергии для литий-ионных батарей появляются регулярно. В марте 2021 года компания Sion Power анонсировала цилиндрическую ячейку емкостью 810 Вт-ч/л; три месяца спустя компания NanoGraf представила цилиндрическую ячейку емкостью 800 Вт-ч/л. Ранее в декабре 2020 года компания QuantumScape заявляла о ячейке на 1000 Вт-ч/л, а Sion Power еще в 2018 году - о ячейке на 1400 Вт-ч/л. Но ячейки Sion были произведены на пилотной производственной линии, а заявление QuantumScape было основано на лабораторных испытаниях однослойных ячеек, а не на коммерчески доступных многослойных продуктах.
На сегодняшний день реальным мировым лидером является Amprius Technologies из Фримонта, Калифорния. В феврале 2022 года компания объявила о первой поставке батарей емкостью 1150 Вт-ч/л производителю высотных беспилотных самолетов нового поколения, которые будут использоваться для передачи сигналов. Конечно, это очень нишевый рынок, на порядки меньший, чем потенциальный рынок электромобилей, но это долгожданное подтверждение постоянного роста плотности.
Предстоит пройти долгий путь, прежде чем батареи смогут конкурировать с плотностью энергии жидкого топлива. За последние 50 лет максимальная энергетическая плотность серийно выпускаемых батарей увеличилась примерно в пять раз - с менее чем 150 до более чем 700 Вт-ч/л. Но даже при сохранении таких темпов в течение следующих 50 лет максимальная плотность составит около 3500 Вт-ч/л, т.е. не более трети плотности керосина. Ожидание супербатарей, готовых обеспечить межконтинентальные перелеты, может не закончиться даже к 2070 году.
