Уступи место, литий: алюминиевые и серные батареи вызывают энергетическую революцию

• В январе 2024 года в исследовании Nature Communications была представлена алюминий-сера батарея, работающая при 85 °C с расплавленным хлораллюминатным электролитом, сохраняющая 85,4% своей ёмкости после 1400 циклов при 1C.
• Прототип алюминиево-ионной батареи Стэнфорда 2015 года использовал алюминиевый анод и графитовый катод, обеспечивая сверхбыструю зарядку (около одной минуты) и более 7500 циклов при примерно 2 В.
• В 2014 году компания Phinergy продемонстрировала автомобиль, способный проехать около 1100 миль на алюминий-воздушных батареях.
• Алюминий-воздушные батареи предлагают примерно в три раза большую удельную энергию по весу по сравнению с литий-ионными батареями.
• В январе 2023 года Аргоннская национальная лаборатория продемонстрировала Li–S элементы с редокс-активным промежуточным слоем, который практически устранил эффект шаттла и обеспечил более 700 циклов.
• Литий-серные элементы показали удельную энергию около 400–500 Вт·ч/кг в лабораториях, а проект NASA SABERS нацелен на примерно 500 Вт·ч/кг для электрической авиации.
• В августе 2022 года Дональд Садоуэй из MIT представил алюминий-серную батарею с алюминиевым анодом и серным катодом, использующую расплавленные солевые электролиты для обеспечения низкой стоимости и безопасной работы.
• В октябре 2024 года компания Lyten объявила о планах построить первую в мире гигафабрику Li–S батарей в Неваде, с целью достичь 10 ГВт·ч/год к 2027 году.
• В марте 2025 года компания Theion привлекла 15 миллионов евро для масштабирования кристаллических литий-серных элементов, заявляя о тройной удельной энергии по сравнению с Li-ion, трети стоимости и трети выбросов CO₂, с планами перехода от монетных элементов к большим пакетным.
• В 2023 году Phinergy и Indian Oil Corporation представили первый в Индии автомобиль на алюминий-воздушных батареях, что свидетельствует о потенциале внедрения на рынке.

Представьте себе батареи, сделанные из обычной алюминиевой фольги и серного порошка, которые питают всё — от домов до электромобилей — за небольшую часть нынешней стоимости. Батареи на основе алюминия и серы становятся многообещающей альтернативой традиционным литий-ионным элементам, предлагая заманчивую перспективу более дешёвого, безопасного и устойчивого хранения энергии. В этом обзоре мы рассмотрим, что такое алюминиевые и серные батареи, как они работают, какие типы разрабатываются (включая захватывающую комбинацию алюминия и серы), их преимущества и проблемы, ключевых игроков, двигающих прорывы, а также как недавние инновации 2024–2025 годов могут преобразить чистую энергетику и электромобили. (Все источники указаны для достоверности.)

Что такое алюминиевые и серные батареи?

Алюминиевые батареи и серные батареи представляют собой две широкие группы аккумуляторных технологий следующего поколения, которые нацелены на преодоление ограничений современных литий-ионных батарей. Проще говоря, они используют алюминий или серу (или оба элемента) в своих электрохимических реакциях вместо того, чтобы полагаться исключительно на литиевые химические составы. Как и любая батарея, эти устройства имеют три основные части — положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и электролит между ними, который переносит ионы во время зарядки и разрядки. Ключевое отличие — в химии: в алюминиевых батареях металл алюминий часто служит анодом (а в некоторых конструкциях и источником ионов), тогда как в серных батареях элемент сера обычно служит катодным материалом, принимающим ионы от металлического анода (например, лития или натрия).

Зачем исследовать алюминий или серу? Оба элемента невероятно распространены и дешевы по сравнению с литием и кобальтом, используемыми в литий-ионных аккумуляторах. Алюминий — самый распространённый металл в земной коре и обладает очень высокой теоретической ёмкостью для хранения заряда (каждый атом Al может отдавать 3 электрона, что даёт ёмкость заряда 2,98 Ач на грамм, что огромно) nature.com. Сера — один из самых дешёвых неметаллических элементов (часто является побочным продуктом нефтепереработки) и может связываться с двумя ионами лития на атом, что обеспечивает очень высокий потенциал хранения энергии nature.com, anl.gov. В принципе, аккумуляторы на основе алюминия или серы могут хранить больше энергии при том же весе и стоить значительно дешевле, чем современные литий-ионные батареи. Как объясняют исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, «Сера чрезвычайно распространена и экономична, а также может хранить больше энергии, чем традиционные ионные батареи.» anl.gov Точно так же алюминий дешев, широко доступен и плотно накапливает заряд как по весу, так и по объёмуnature.com.

Ещё один важный стимул — это безопасность и устойчивость. Литий-ионные аккумуляторы используют воспламеняющиеся органические жидкие электролиты и часто требуют редких металлов (таких как кобальт, никель, литий), что вызывает проблемы с цепочками поставок и этикой. В отличие от них, многие конструкции алюминиевых и серных аккумуляторов могут использовать невоспламеняющиеся электролиты (например, ионные жидкости или расплавленные соли) и обходиться без конфликтных минералов. Например, недавняя конструкция литий-серного аккумулятора использует только «широко доступные местные материалы, устраняя необходимость в добываемых минералах, таких как никель, кобальт, марганец и графит», по данным стартапа Lyten lyten.com. Профессор Массачусетского технологического института Дональд Садоуэй — ведущий новатор в области аккумуляторов — целенаправленно ищет «дешёвые, распространённые на Земле» компоненты, чтобы изобрести нечто «намного лучше литий-ионных», остановившись на алюминии для анода и сере для катода в своей последней аккумуляторной химии news.mit.edu.

Короче говоря, алюминиевые и серные аккумуляторы — это попытка создать более дешёвую, безопасную и этичную батарею, используя элементы, которые распространены (нет глобального дефицита), дешевы и изначально обладают высокой ёмкостью. Теперь давайте рассмотрим, как эти аккумуляторы работают на практике и какие типы находятся в разработке.

Как они работают? (Основы батарей простым языком)

Батареи на основе алюминия обычно используют алюминиевый металл в качестве анода. Когда батарея разряжается, алюминий отдает электроны (создавая электрический ток) и ионы алюминия (Al³⁺), которые проходят через электролит к катоду. В зависимости от типа батареи, эти ионы алюминия либо интеркалируются (встраиваются) в материал катода, либо реагируют с ним. Например, в алюминиево-ионной батарее ионы Al³⁺ перемещаются в слоистый катод (например, графит или оксид металла) и обратно во время зарядки news.stanford.edu. В алюминиево-серной батарее ионы алюминия реагируют с серой на катоде, образуя соединения алюминия и серы при разряде, а затем возвращаются в алюминиевый металл при зарядке nature.com. А в алюминиево-воздушных батареях алюминий реагирует с кислородом из воздуха на специальном катоде, образуя оксид или гидроксид алюминия — эта реакция выделяет электричество, пока алюминиевый анод не будет израсходован.

Батареи на основе серы обычно включают серный катод в паре с металлическим анодом (чаще всего литий, но также могут использоваться натрий, магний или алюминий). Возьмем для примера литий-серную (Li-S) батарею: при разряде атомы лития на аноде отдают электроны и превращаются в ионы лития (Li⁺), которые проходят через электролит к серному катоду. Сера (молекулы S₈) там превращается в сульфид лития (Li₂S), поглощая ионы лития — по сути, сера впитывает ионы лития и электроны, образуя новые соединения и накапливая энергию в химических связях. При зарядке этот процесс идет в обратном направлении: ионы лития покидают серу и возвращаются к аноду, а сера восстанавливается. Поскольку каждый атом серы может связывать два атома лития, а кольца S₈ могут распадаться на различные молекулы литиевых полисульфидов, Li-S батареи теоретически могут хранить в 3–5 раз больше энергии на единицу массы, чем литий-ионные. Натрий-серные (Na-S) батареи работают аналогично с ионами натрия и обычно образуют натриевые полисульфиды или сульфид натрия.

Во всех этих батареях ионы перемещаются туда и обратно через электролит, а электроны текут по внешней цепи — так батарея заряжается и разряжается. Электролит может быть жидким, гелевым или твердым, он позволяет ионам двигаться, но заставляет электроны идти по цепи (которая питает ваше устройство). Важно, что некоторые из этих новых химических систем требуют специальных электролитов для работы. Алюминиево-ионные батареи часто используют ионные жидкости или расплавленные соли в качестве электролита, потому что ионы Al³⁺ сильно взаимодействуют с обычными растворителями. На самом деле, первые перезаряжаемые алюминиевые батареи стали возможны только после того, как исследователи нашли ионную жидкость комнатной температуры (на основе хлоралюминатных солей), которая позволяет ионам алюминия эффективно входить и выходить из графитового катода news.stanford.edu. Аналогично, литий-серные батареи часто используют модифицированные жидкие или твердые электролиты, чтобы предотвратить проблемы, которые мы обсудим позже (например, утечку серы в электролит).

Вкратце и простыми словами: алюминиевые батареи вырабатывают энергию за счёт того, что алюминий отдаёт несколько электронов на один атом (чрезвычайно высокая зарядовая ёмкость на атом металла) и образует связи либо с катодом-носителем, либо с кислородом/серой, в то время как серные батареи вырабатывают энергию благодаря тому, что лёгкий и распространённый элемент (сера) захватывает ионы металлов и электроны, образуя богатые энергией соединения. Оба типа батарей выходят за рамки передачи одного литиевого иона, как в современных аккумуляторах, и потенциально могут обеспечивать большую энергоотдачу на один заряд. Далее рассмотрим конкретные разновидности этих батарей, которые сейчас разрабатываются.

Типы алюминиевых батарей

Учёные исследуют несколько типов батарей, в которых алюминий используется по-разному:

• Перезаряжаемые алюминий-ионные батареи (Al-Ion): Эти батареи используют алюминиевый металл в качестве анода и обычно графитовый катод со специальным ионным жидким электролитом. Известный ранний пример был представлен Стэнфордским университетом в 2015 году, когда ученые продемонстрировали прототип алюминий-ионной батареи с алюминиевым анодом и графитовым катодом в ионной жидкости. Она показала сверхбыструю зарядку (маленькую ячейку можно было зарядить примерно за одну минуту!) и чрезвычайно долгий срок службы (более 7 500 циклов зарядки без потери емкости) news.stanford.edu. Стэнфордская ячейка также была очень безопасной — исследователи могли просверлить пакетную ячейку, и она не загоралась, в отличие от литиевых ячеек news.stanford.edu. Однако у нее было более низкое напряжение (~2 вольта, примерно половина типичного напряжения литий-ионной ячейки) news.stanford.edu, что означает, что для достижения полезных напряжений потребуется больше ячеек, соединенных последовательно. Ключевое преимущество: Al-Ion батареи обещают быструю зарядку, долгий срок службы и повышенную безопасность (отсутствие компонентов, склонных к возгоранию), используя дешевые материалы (алюминий и углерод) news.stanford.edu. Продолжающиеся исследования направлены на повышение их энергоемкости путем поиска лучших катодов и электролитов для увеличения напряжения и емкости news.stanford.edu. Несколько групп по всему миру (от Стэнфорда до китайских университетов news.mit.edu) развивают технологии алюминий-ионных батарей. Например, исследователи изучают различные катодные материалы (включая даже металлические сульфиды nature.com), чтобы более эффективно накапливать алюминиевые ионы nature.com.
• Алюминиево-воздушные батареи: Алюминиево-воздушная батарея — это первичная батарея (не перезаряжаемая электричеством, но потенциально механически «дозаправляемая»), в которой алюминиевый металл реагирует с кислородом из воздуха для выработки электроэнергии. Эти элементы обладают впечатляюще высокой энергетической плотностью, потому что катодом служит просто окружающий воздух — что делает батарею чрезвычайно легкой. Фактически, алюминиево-воздушные батареи могут иметь примерно в 3 раза больше энергии на единицу веса по сравнению с литий-ионными на уровне системы evreporter.com. Компромисс заключается в том, что после окисления алюминиевого анода до гидроксида или оксида алюминия элемент «исчерпан» и для продолжения работы требуется свежий алюминий. Это делает алюминиево-воздушные батареи больше похожими на топливный элемент или расширитель запаса хода: вы бы заменяли алюминиевую пластину (и сдавали использованную на переработку), а не подключали к зарядке. Компании, такие как Phinergy из Израиля, уже много лет занимаются разработкой алюминиево-воздушных систем. В партнерстве с Indian Oil Corporation они проводят испытания алюминиево-воздушных батарей в электромобилях и стационарных резервных установках. В 2023 году они продемонстрировали в Индии небольшой электромобиль, который проехал более 500 км на алюминиево-воздушных элементах до необходимости «дозаправки» алюминиемevreporter.com. Генеральный директор Phinergy Дэвид Майер отмечает, что алюминиево-воздушные технологии «безопасны, не воспламеняются», не требуют тяжелой зарядной инфраструктуры и могут быть перезаряжены (заменой алюминия) «за несколько минут», а не за часы evreporter.com. Минус — необходимость создания целой цепочки поставок для массового производства и переработки алюминиевых пластин. Тем не менее, эта технология уже коммерчески используется в отдельных нишах: например, алюминиево-воздушные установки Phinergy используются в качестве резервного питания для телекоммуникационных вышек (вместо дизельных генераторов) в Израиле и Европе evreporter.com. Алюминиево-воздушные батареи, возможно, не заменят напрямую аккумулятор в вашем телефоне, но могут служить расширителями запаса хода для электромобилей или для длительного хранения энергии — обеспечивая огромный энергетический резерв, который вы периодически заменяете.
• Алюминиево-серные аккумуляторы: Удивительно, но некоторые исследователи объединяют алюминий и серу в одном аккумуляторе — используя алюминий в качестве анода и серу в качестве катода, с расплавленной солью или ионной жидкостью в качестве электролита. Этот гибридный подход пытается использовать лучшие качества обоих элементов: высокую емкость анода у алюминия и высокую емкость катода у серы, и всё это с невероятно дешевыми материалами. В августе 2022 года команда под руководством Дональда Садоуэя из MIT представила новую конструкцию алюминиево-серного аккумулятора, которая сразу же привлекла внимание благодаря низкой стоимости и высокой производительности. В качестве электролита используется расплавленные хлораллюминатные соли, которые работают при умеренной температуре (около 110 °C, как горячая чашка кофе), чтобы поддерживать соль в жидком состоянии news.mit.edu. Подогреваемый электролит был умным выбором: он не только невоспламеняемый и недорогой, но и предотвращал образование дендритов — тех самых металлических игл, которые могут вызвать короткое замыкание аккумулятора. Как выразился Садоуэй, выбранная соль «фактически устранила эти неконтролируемые дендриты, а также позволила очень быструю зарядку» news.mit.edu. Его прототип алюминиево-серной ячейки можно было зарядить менее чем за минуту без короткого замыкания, и он работал сотни циклов с оценочной стоимостью на ячейку примерно в шесть раз ниже, чем у сопоставимых литий-ионных ячеек news.mit.edu. Это огромное снижение стоимости, подтвержденное независимыми аналитиками; стоимость материалов для этих аккумуляторов может быть на 85% ниже, чем у литий-ионных, по данным журнала Science news.mit.edu. Задумка — использовать такие ячейки для стационарного хранения (например, для хранения солнечной энергии для использования ночью) и, возможно, для поддержки быстрой зарядки электромобилей. Разработку Садоуэя коммерциализирует стартап под названием Avanti, который планирует масштабировать производство ячеек и провести стресс-тесты в ближайшем будущем news.mit.edu. Тем временем другие группы развивают концепцию алюминиево-серных аккумуляторов дальше: в январе 2024 года исследователи из Китая сообщили о перезаряжаемом Al-S аккумуляторе, который может работать при 85 °C (чуть ниже точки кипения воды, ещё проще поддерживать) с отличным сроком службы — более 1 400 циклов с потерей ёмкости всего 15%, и возможностью быстрой зарядки при этой температуре nature.com. Снижение рабочей температуры ниже 100 °C означает, что для поддержания аккумулятора достаточно простого нагрева горячей водой, что «значительно упрощает» тепловое управление и открывает путь к более широкому применению nature.com. Вывод: алюминиево-серные аккумуляторы могут стать прорывом для хранения энергии в сетях и, возможно, для опредна транспортных средствах, предоставляя ультрадешевые, огнеупорные аккумуляторы, использующие широко распространённый алюминий (самый распространённый металл) и серу (самый дешёвый неметалл) news.mit.edu.

Типы аккумуляторов на основе серы

Несколько технологий аккумуляторов используют серные катоды в паре с различными анодами:

• Литий-серные (Li-S) аккумуляторы: Литий-серная технология — одна из самых изучаемых «пост-литиевых» химий благодаря своему очень высокому энергетическому потенциалу. Li-S элемент теоретически может хранить до 5 раз больше энергии на единицу массы, чем литий-ионный элемент, поскольку сера очень легкая, и каждая молекула серы может связывать несколько атомов лития. На практике Li-S аккумуляторы уже продемонстрировали плотность энергии около 400–500 Вт·ч/кг (примерно вдвое больше, чем у литий-ионных) в лабораториях businessaviation.aero, apricum-group.com. Они также привлекательны тем, что очень дешевы и экологичны — сера стоит почти ничего и является распространённым элементом, а в Li-S элементах нет ни кобальта, ни никеля. Однако ахиллесовой пятой Li-S аккумуляторов была долговечность и стабильность. Традиционные прототипы Li-S страдали от эффекта «полисульфидного шаттла»: промежуточные соединения серы (полисульфиды) растворяются в электролите во время циклирования и мигрируют к литиевому аноду, вызывая саморазряд, коррозию и быстрое снижение ёмкости anl.gov. Также они испытывают значительное «дыхание» (изменение объёма) — сера сильно расширяется и сжимается при зарядке/разрядке, что может повредить структуру элемента reuters.com. Эти проблемы приводили к тому, что ранние Li-S аккумуляторы выходили из строя уже после нескольких десятков циклов. Хорошая новость в том, что недавние прорывы решают эти проблемы. Исследователи разработали наноструктурированные углеродные катоды и добавки к электролиту для улавливания полисульфидов и увеличения срока службы nature.com. В январе 2023 года Национальная лаборатория Аргонн продемонстрировала Li-S элемент со специальным пористым «редокс-активным» промежуточным слоем, который практически устранил проблему шаттла, позволив аккумулятору выдерживать 700+ циклов при сохранении высокой ёмкости anl.gov. «Ранее [серные] аккумуляторы только подавляли шаттл-эффект, но жертвовали энергией. Наш слой увеличивает ёмкость и подавляет шаттл», — объяснил химик Аргоннской лаборатории Гуйлян Сюй anl.gov. Это говорит о том, что Li-S аккумуляторы могут быть одновременно энергоёмкими и долговечными. На самом деле, компании уже спешат коммерциализировать их: Lyten, стартап из Калифорнии, разработал литий-серный элемент, усиленный запатентованными 3D-графеновыми материалами, и нацелен на нишевые рынки, такие как дроны, аэрокосмическая и оборонная промышленность в 2024–2025 гг. <a href=»httlyten.com. Lyten утверждает, что её Li-S батареи на 40% легче современных литий-ионных (и на 60% легче, чем железо-фосфатные батареи), при этом они дешевле при масштабировании за счёт исключения никеля, кобальта и других дорогих материалов lyten.com. Другая компания, Theion (Германия), работает над кристаллическими серными катодами и недавно сообщила о Li-S ячейках с энергетической плотностью в 3 раза выше, чем у литий-ионных, и стоимостью всего в треть, а также потенциально с выбросами при производстве в треть меньше reuters.com. Генеральный директор Theion Ульрих Эмес заявил, что их батареи — которые избегают проблем с коррозией благодаря использованию стабильной формы серы и предварительно расширенной конструкции — могут появиться в электромобилях «до конца десятилетия», если разработка будет идти по плану reuters.com. Короче говоря, литий-серные батареи находятся на пороге перехода из лаборатории на рынок, обещая ультралёгкие, высокоэнергетические аккумуляторы для применений, где важен каждый килограмм (электросамолёты, электромобили с большим запасом хода, космос).
• Натрий-серные (Na-S) аккумуляторы: Натрий и сера могут показаться неожиданной парой (натрий чрезвычайно реактивен, а первые Na-S аккумуляторы работали горячими при 300°C), но эта химия имеет долгую историю использования для хранения энергии в сетях. Высокотемпературные Na-S аккумуляторы десятилетиями применяются для хранения энергии в промышленных масштабах (особенно компанией NGK в Японии) – они работают с расплавленным натрием и серой, разделёнными твёрдым керамическим электролитом, обеспечивая хорошую эффективность и долговечность для стационарного хранения. Однако необходимость поддерживать температуру около 300°C ограничивала их более широкое распространение. В последнее время появился интерес к натрий-серным аккумуляторам комнатной температуры, которые могут стать недорогой и безопасной альтернативой для хранения энергии в больших масштабах. В конце 2022 года команда из Сиднейского университета объявила о «дешёвой батарее с ёмкостью в четыре раза больше, чем у литий-ионных», использующей новую конструкцию Na-S для работы при комнатной температуре sydney.edu.au. Используя пористый углеродный электрод и простую термическую обработку (пиролиз) для создания более реакционноспособной формы серы, они достигли сверхвысокой ёмкости и сверхдолгого срока службы при комнатной температуре, преодолев прежнюю «медлительность» Na-S sydney.edu.au. Ведущий исследователь доктор Шенлон Чжао заявил, что этот натрий-серный аккумулятор «может радикально снизить стоимость при обеспечении в четыре раза большей ёмкости хранения. Это значительный прорыв для развития возобновляемой энергетики…» sydney.edu.au. Действительно, натрий и сера ещё более распространены и дешевы, чем литий, поэтому успешный Na-S аккумулятор может стать находкой для хранения энергии в сетях – позволяя создавать крупные аккумуляторы для ветряных/солнечных электростанций с минимальными затратами. Хотя Na-S элементы не сравнятся с литий-ионными по компактности для электромобилей (натрий тяжелее, а эти элементы сейчас имеют больший формат), они могут стать важной частью инфраструктуры чистой энергетики, обеспечивая безопасное и недорогое хранение энергии, когда солнце не светит или ветер не дует sydney.edu.au. Исследования по совершенствованию Na-S аккумуляторов комнатной температуры для коммерциализации ведутся по всему миру (Китай, Австралия, Европа).
• Другие аккумуляторы на основе серы: Помимо Li-S и Na-S, исследователи экспериментировали с серными катодами в сочетании с другими металлами, такими как магний или кальций, а также с комбинацией серы и алюминия (как обсуждалось ранее). Эти аккумуляторы на основе многовалентных металлов и серы (где ион металла несет более одного заряда, например, Al³⁺ или Mg²⁺) привлекательны по той же причине, что и алюминий или сера по отдельности — из-за их доступности и высокой емкости, — но сталкиваются с еще более сложной химией и в основном находятся на ранних стадиях исследований advanced.onlinelibrary.wiley.com. Например, магний-серные элементы сталкиваются с проблемами совместимости электролита и медленной кинетикой. Твердотельные серные аккумуляторы — еще один передовой вариант: используя твердый электролит (часто сульфид или полимер), ученые стремятся создать Li-S элементы, которые будут безопаснее (без воспламеняющейся жидкости) и полностью подавят эффект «шаттла» полисульфидов onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA активно разрабатывает твердотельный литий-серный аккумулятор (проект SABERS) с катодом из серы и селена и новым твердым электролитом, достигая плотности энергии ~500 Вт·ч/кг, что подходит для электрической авиации businessaviation.aero. Привлекательность серы — легкой, доступной, мощной — сделала ее центром многих футуристических аккумуляторных концепций.

Рассмотрев спектр аккумуляторов на основе алюминия и серы, теперь мы можем сравнить, как эти технологии соотносятся с доминирующими литий-ионными и какие уникальные преимущества они предлагают.

Ключевые преимущества и выгоды по сравнению с литий-ионными

И аккумуляторы на основе алюминия, и на основе серы обещают значительные преимущества в стоимости, устойчивости и производительности, если их разработка будет успешной. Вот основные преимущества:

• 🌎 Обильные, недорогие материалы: Алюминий и сера дешевы и доступны практически везде. Алюминий — самый распространённый металл в земной коре, а сера — обычный побочный продукт переработки. Это означает, что стоимость материалов может быть значительно ниже. В отчёте Science отмечается, что сырьё для алюминий-серных аккумуляторов может быть на 85% дешевле, чем для литий-ионных батарей news.mit.edu. Стартап Theion (разрабатывающий серные батареи) также утверждает, что их ячейки будут стоить всего треть от стоимости литий-ионных reuters.com. По словам Садоуэя, эти батареи «этически добыты, дешевы и эффективны» news.mit.edu — они не используют дорогие металлы, добыча которых часто связана с проблемами. Использование обильных ресурсов также означает меньше узких мест в поставках; нехватка лития или кобальта нам не грозит, если алюминий-серные батареи получат распространение.
• 🔥 Повышенная безопасность (негорючесть): Многие современные алюминий/серные батареи разрабатываются с прицелом на гораздо большую безопасность. Вместо воспламеняющихся органических электролитов они могут использовать неорганические расплавленные соли или твёрдые электролиты, которые не воспламеняются news.mit.edu. Алюминий-ионные и алюминий-серные ячейки, продемонстрированные в Стэнфорде и MIT, «не загорятся, даже если их просверлить» или использовать при высокой температуре news.stanford.edu, news.mit.edu. Аналогично, серные катоды в сочетании с твёрдыми или гелевыми электролитами лучше противостоят тепловому разгоранию, чем обычные литий-ионные. Алюминий-воздушная система Phinergy по своей природе негорюча и «безопасна, не воспламеняется» в эксплуатации evreporter.com. Повышенная безопасность не только защищает пользователей, но и упрощает транспортировку и производство (нет необходимости в дорогом охлаждении или противопожарных системах в батарейных блоках).
• ⚡ Высокая энергоёмкость и малый вес: Обе химии предлагают потенциал более высокой энергоёмкости на единицу веса, чем современные аккумуляторы. Например, литий-серные аккумуляторы достигли ~500 Втч/кг в прототипах businessaviation.aero — примерно вдвое больше, чем лучшие литий-ионные, что позволяет создавать гораздо более лёгкие аккумуляторные блоки. Lyten сообщает, что их Li-S ячейки будут до на 40% легче, чем литий-ионные блоки при той же энергии lyten.com. Theion нацелена на в 3 раза большую энергоёмкость, чем у литий-ионных reuters.com. Для электромобилей и самолётов это может означать больший запас хода или большую полезную нагрузку при том же весе батареи. Алюминий-воздушные аккумуляторы имеют рекордную энергоёмкость (несколько лет назад на одном алюминий-воздушном «баке» был установлен рекорд пробега электромобиля — 1 100 миль), хотя требуется дозаправка. Даже алюминий-ионные батареи, хоть и уступают Li-S по теоретической энергоёмкости, могут превосходить по плотности мощности — элемент Стэнфорда полностью заряжается за одну минуту news.stanford.edu, что намекает на аккумуляторы, заряжающиеся так же быстро, как заправка бензобака. Вкратце, эти технологии могут обеспечить либо значительно больше энергии (для длительного использования), либо значительно более быструю разрядку/зарядку, чем литий-ионные, либо и то, и другое.
• 🔋 Потенциал долгого срока службы: При правильной инженерии алюминиевые и серные аккумуляторы могут служить так же долго или дольше, чем литий-ионные. Алюминиевые аноды не образуют таких же дендритов, как литиевые (особенно с подходящими электролитами) news.mit.edu, поэтому они могут быть очень долговечными. Алюминий-ионный элемент Стэнфорда выдержал более 7 500 циклов (на порядок больше, чем литий-ионные) news.stanford.edu. Серные элементы исторически имели низкий срок службы, но новые конструкции (прослойки, твёрдотельные и др.) достигают сотен и тысяч циклов с минимальными потерями anl.gov, nature.com. Для стационарного хранения крайне важна батарея, которая надёжно работает в ежедневных циклах более 10 лет, и разработчики этих химий уделяют особое внимание стабильности.
• ♻️ Экологические и этические преимущества: Поскольку для их производства используются легко доступные материалы, эти аккумуляторы избегают экологического ущерба, связанного с добычей и переработкой редких металлов, таких как кобальт, никель и литий. Также снижается встроенный углеродный след аккумулятора. Theion оценивает, что их серные аккумуляторные ячейки будут выделять только одну треть CO₂ при производстве по сравнению с литий-ионными ячейками reuters.com. Сера часто является отходом (миллионы тонн хранятся на складах), поэтому её использование в аккумуляторах по сути является переработкой промышленных отходов. Алюминий также очень хорошо поддается переработке – существующая мировая инфраструктура по переработке может быть использована для легкого извлечения алюминия из отработанных аккумуляторов. С этической точки зрения, использование серы и алюминия позволяет избежать проблем детского труда и нарушений прав человека, которые сопровождают добычу кобальта. Все эти факторы означают, что аккумуляторы следующего поколения могут быть более устойчивыми и социально ответственными на протяжении всего их жизненного цикла.
• 💡 Быстрая зарядка и высокая мощность: Некоторые конструкции на алюминии и сере демонстрируют ультрабыструю зарядку. Мы уже упоминали о 60-секундной зарядке в лабораторных тестах news.stanford.edu. Кроме того, алюминиево-серные ячейки в лаборатории работали при очень высоких скоростях зарядки (например, зарядка при 1C и выше при повышенной температуре с отличным сохранением ёмкости) nature.com. Алюминиево-воздушные аккумуляторы можно «перезарядить» мгновенно, просто заменив алюминий. Эти особенности могут устранить одну из главных жалоб потребителей на электромобили и гаджеты – длительное время зарядки – а также обеспечить высокую мощность при необходимости (представьте электроинструменты или электромобили с алюминиевыми аккумуляторами, которые выдают мощный импульс без просадки напряжения).

Важно отметить, что не каждое из этих преимуществ в равной степени относится ко всем вариантам (например, алюминиево-воздушные дают отличную энергию, но не перезаряжаются электрически; алюминиево-ионные быстро заряжаются, но имеют более низкое напряжение; литий-серные очень легкие, но пока имеют средний срок службы). Тем не менее, общий потенциал алюминиевых и серных аккумуляторов заключается в том, что мы можем значительно снизить стоимость и зависимость от редких материалов, обеспечивая при этом такую же или лучшую производительность по ключевым параметрам безопасности, энергии и мощности.

Проблемы и технические трудности

Если алюминиевые и серные аккумуляторы так хороши, почему их до сих пор нет повсюду? Дело в том, что эти технологии сталкиваются с серьезными проблемами, которые исследователи и инженеры все еще пытаются преодолеть:

• Шаттл полисульфидов и деградация катода (проблемы серы): В литий-серных и других батареях с серным катодом печально известная проблема шаттла полисульфидов стала серьёзным препятствием. В процессе циклирования батареи сера проходит через промежуточные стадии, которые могут растворяться в электролите и мигрировать к аноду, вызывая саморазряд, потерю активного материала и даже вредные реакции с анодом anl.gov. Это приводит к быстрому снижению ёмкости. Кроме того, серные катоды склонны набухать и сжиматься значительно (до ~80% изменения объёма) при превращении в сульфид лития и обратно reuters.com. Такое «дыхание» со временем может разрушить катод или привести к его деламинации от токосъёмников. Хотя новые стратегии (например, добавление защитных прослоек anl.gov, использование наноструктурированных углеродных матриц или твёрдых электролитов) смягчили эти проблемы, обеспечение долговечности серных батарей на сотни циклов в реальных условиях остаётся ключевой задачей.
• Дендриты и проблемы осаждения (металлические аноды): Алюминиевые металлические аноды, как и другие металлические аноды, могут образовывать дендриты (тонкие проводящие нити) при перезарядке, что создаёт риск короткого замыкания ячейки. На самом деле одной из главных причин, по которой алюминиевые батареи долгое время терпели неудачу, было то, что никому не удавалось добиться стабильного осаждения/растворения алюминия — часто образовывался «мшистый» осадок или происходила деактивация из-за образования оксидной плёнки на поверхности. Ионные жидкости и расплавленные солевые электролиты значительно «укротили» эту проблему (одна из команд сообщила, что их расплавленная алюминиевая батарея «никогда не теряла ячеек из-за короткого замыкания дендритами» в тестах быстрой зарядки news.mit.edu). Но если использовать более традиционный электролит, дендриты или побочные реакции с оксидной плёнкой алюминия могут стать проблемой. Аналогично, если в серных батареях используется литиевый металл в качестве анода (что часто встречается в Li-S конструкциях), возникают дендриты лития и проблемы безопасности, особенно при использовании жидких электролитов. Исследователи часто сочетают Li-S с защитными мембранами или твёрдотельными конструкциями для предотвращения образования литиевых дендритов.
• Низкое рабочее напряжение и энергоэффективность (алюминиевые ионные батареи): Алюминиевые ионные батареи, особенно использующие интеркаляцию (например, графитовые катоды), обычно имеют более низкое напряжение ячейки, чем литий-ионные. Знаменитая алюминиево-ионная ячейка Стэнфорда выдавала около 2,0 вольт news.stanford.edu, тогда как литий-ионная ячейка — примерно 3,7 В номинально. Это частично связано с химией интеркаляции Al³⁺ и ограничениями электролита. Более низкое напряжение означает, что для достижения желаемого напряжения батарейного блока нужно больше ячеек последовательно (что добавляет сложности и некоторую потерю энергии). Есть также проблема мультивалентных ионов, таких как Al³⁺, которые медленно перемещаются в твердых телах — переместить ион с зарядом +3 сложнее, чем ион с зарядом +1, как Li⁺, поэтому достижение высокой мощности может быть затруднено, если только не повысить температуру или не использовать специальные электролиты nature.com. Некоторые алюминиевые батареи хорошо работают только при повышенных температурах (60–100 °C), что может усложнить их использование в потребительской электронике (никто не хочет постоянно горячую батарею в телефоне!). Хорошая новость: инновации в области электролитов (например, добавление определённых солей или использование новых смесей) улучшают проводимость алюминия-ионов при более низких температурах nature.com.
• Требования к температуре: Как отмечено выше, несколько алюминиевых и натриевых конструкций используют электролиты на основе расплавленных солей, которые необходимо поддерживать в тёплом состоянии. Например, алюминиево-серная батарея MIT оптимально работает примерно при 110 °C news.mit.edu, а даже улучшенный вариант — при 85 °C nature.com. Хотя по промышленным меркам это не очень высоко, это означает, что батарейный блок потребует изоляции и, возможно, небольшого нагревателя для поддержания нужного диапазона температур. Это приемлемо для стационарного хранения (где батарея размером с холодильник может иметь терморегуляцию), но является проблемой для портативных устройств и электромобилей, если только тепло не может поддерживаться самостоятельно (ячейка Садоуэя действительно самонагревается во время циклов для поддержания температуры news.mit.edu). Работа при высокой температуре также требует надёжной герметизации и дополнительных мер безопасности (хотя плюс — отсутствие риска возгорания). Исследователи работают над снижением рабочих температур и даже изучают химические составы для работы при комнатной температуре как для алюминиевых, так и для натриевых систем nature.com.
• Инфраструктура зарядки и «дозаправка» (Al-Air): Уникальной особенностью алюминиево-воздушных (и подобных металловоздушных) систем является то, что их нельзя перезарядить, просто подключив к зарядному устройству. Необходимо заменить или переработать алюминиевый анод после его израсходования. Для этого требуется создание целой инфраструктуры по замене алюминиевых пластин или картриджей, сбору использованных и переработке алюминия (вероятно, посредством электроплавки, что по сути «перезаряжает» алюминий). Indian Oil и Phinergy активно работают над этой экосистемой evreporter.com, но это другой подход по сравнению с автозаправками или зарядными станциями. Без широкой поддержки алюминиево-воздушные батареи могут остаться нишевым решением. Кроме того, побочный продукт алюминиево-воздушных батарей (гидроксид алюминия) также требует утилизации – хотя его можно переработать в новый алюминий или другие продукты.
• Масштабирование производства и интеграция: Технология литий-ионных аккумуляторов имеет 30-летнее преимущество с огромными масштабами производства, оптимизированными цепочками поставок и хорошо обученной рабочей силой. Любая новая химия батарей сталкивается с проблемой перехода от лабораторного или пилотного масштаба к масштабу гигафабрики. Алюминиевые и серные батареи могут требовать новых производственных процессов (например, работы с чувствительными к влаге ионными жидкостями или твердыми электролитами, либо новых конструкций ячеек, как у Theion с их многослойными электродами). Масштабирование без дефектов и по низкой цене — задача непростая. Есть также вопрос интеграции — могут ли эти новые батареи быть использованы в существующих устройствах или транспортных средствах, или же им нужны новые конструкции? Различные вольт-амперные характеристики, форм-факторы или условия эксплуатации могут потребовать переделки всего — от систем управления батареями до конструкции шасси автомобилей. Эти переходные издержки и неопределенности могут замедлить внедрение.
• Текущий статус (готовность технологии): Хотя в 2024 и 2025 годах были достигнуты крупные прорывы (о которых мы расскажем далее), многие технологии алюминиевых и серных батарей все еще находятся на стадии прототипа или ранней коммерциализации. Ни одна из них пока не достигла такого массового внедрения, как литий-ионные. Например, литий-серные элементы только сейчас выходят на ограниченные рынки, такие как дроны и спутники, где их короткий срок службы можно терпеть или компенсировать. Алюминиево-серные и алюминиево-ионные батареи находятся на стадии демонстрации и масштабирования; ни один электромобиль или энергосистема пока не использует их в полном объеме. Это означает, что все еще существует риск появления непредвиденных проблем при реальном использовании (вспомните, как у литий-ионных батарей на ранних этапах возникали случаи теплового разгона). Потребуются время, инвестиции и, вероятно, несколько итераций, прежде чем эти технологии станут такими же надежными, как существующие. Как скептическое замечание: литий-ионные батареи тоже совершенствуются каждый год — появляются новые химии, такие как литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-металлические твердотельные — поэтому алюминиевые и серные батареи должны не только работать, но и конкурировать с постоянно совершенствующимся лидером рынка.

В заключение, алюминиевые и серные батареи обладают огромным потенциалом, но также представляют собой уникальные трудности. Исследователи откровенно признают, что требуется дальнейшая работа; как написала одна из команд в 2022 году, несмотря на прогресс, «Al–S батареи исторически страдали от низкой скорости заряда/разряда и стабильности при циклировании», что требует постоянных инноваций в области электролитов и электродов nature.com. Преодоление этих проблем — именно то, на чем сейчас сосредоточены многие лаборатории и стартапы.

Кто лидирует в гонке? Крупнейшие игроки в разработке

В этой захватывающей области работают академические лаборатории, стартапы и промышленные гиганты, которые раздвигают границы возможного. Вот некоторые из заметных участников и их деятельность:

• Массачусетский технологический институт (MIT) и Avanti: MIT давно является центром инновационных исследований в области аккумуляторов. Группа профессора Дональда Садоуэя в MIT стала инициатором концепции алюминиево-серной батареи. После публикации прорывных результатов в Nature в 2022 году Садоуэй стал соучредителем Avanti, чтобы коммерциализировать эту технологию news.mit.edu. Цель Avanti — масштабировать производство алюминиево-серных ячеек для стационарного хранения и других применений. Садоуэй также известен как соучредитель компании Ambri, которая коммерциализирует жидкометаллические батареи (с использованием других химических составов, таких как кальций и сурьма). Ambri ориентируется на хранение энергии в масштабах энергосистемы, и, по сообщениям, в 2024 году начала внедрять свои системы youtube.com. Благодаря Ambri и Avanti, инновации Садоуэя могут охватить как крупные аккумуляторы для коммунальных предприятий, так и батареи меньшего масштаба для зданий или зарядных станций для электромобилей news.mit.edu. Влияние MIT этим не ограничивается — его исследователи также изучают литий-серные батареи в различных проектах, а сам институт часто сотрудничает с национальными лабораториями и компаниями в области передовых аккумуляторных технологий.
• Стэнфордский университет и SLAC: Стэнфорд одним из первых заявил о себе в области алюминиево-ионных аккумуляторов (прототип быстрозаряжающегося Al-ion 2015 года news.stanford.edu). Эта работа, возглавляемая профессором Хунцзе Даем, показала, что простой графитовый катод может обеспечить возможность перезарядки алюминиевого аккумулятора. Стэнфорд продолжает исследования в области аккумуляторов; например, SLAC (Стенфордская лаборатория ускорителей) изучала новые катоды для алюминиевых аккумуляторов, такие как металлические сульфиды nature.com, а также исследовала межфазную химию для улучшения циклирования. Хотя открытие Стэнфорда 2015 года пока не превратилось в коммерческий продукт, оно продемонстрировало осуществимость технологии и было процитировано во многих последующих исследованиях. Это также подчеркнуло принцип открытых исследований Стэнфорда, ведущих к внедрению в промышленность (некоторые выпускники лаборатории аккумуляторов Стэнфорда присоединились к стартапам или основали собственные в стартап-среде аккумуляторов в районе залива).
• Graphene Manufacturing Group (GMG) и Университет Квинсленда: В Австралии GMG (в сотрудничестве с Университетом Квинсленда) разрабатывает графеновый алюминиево-ионный аккумулятор. Они сообщили о впечатляющих результатах в прототипах аккумуляторов формата «монета» — с чрезвычайно быстрой зарядкой и долгим сроком службы — используя графен (разновидность углерода) в качестве катодного материала в алюминиево-ионной конфигурации batteriesnews.com. GMG стремится масштабировать свою технологию до аккумуляторов формата «пакет», подходящих для потребительской электроники или электромобилей, и по состоянию на конец 2022 года у них была программа разработки и пилотная производственная линия graphenemg.com. Их подход подчеркивает синергию нано-материалов (графен) с новыми химиями, такими как алюминиево-ионная, для достижения лучших результатов.
• Phinergy и Indian Oil (IOC): Phinergy — это израильский стартап, который уже более десяти лет является пионером в области алюминиево-воздушных батарей. В 2014 году они прославились тем, что обеспечили работу демонстрационного автомобиля на алюминиево-воздушной батарее на расстояние 1 100 миль, а с тех пор сосредоточились на реальных продуктах для резервного питания и увеличения запаса хода электромобилей. Phinergy объединилась с Indian Oil Corporation, чтобы создать совместное предприятие (IOC Phinergy), которое выводит алюминиево-воздушные технологии на рынок Индии — потенциально огромный рынок для страны, стремящейся найти альтернативу нефти и использовать свою алюминиевую промышленность. К началу 2023 года IOC Phinergy представила первый в Индии автомобиль на алюминиево-воздушной батарее и занималась созданием инфраструктуры для производства и переработки пластин alcircle.com. Индийское правительство также проявило интерес, поскольку алюминиево-воздушные батареи могут снизить зависимость от импортируемого лития. Технологии Phinergy уже коммерчески используются для резервного питания телекоммуникационных вышек (заменяя дизельные генераторы на не выделяющие выбросов алюминиево-воздушные системы) evreporter.com, а также компания сотрудничает с автопроизводителями, такими как Mahindra, по интеграции в транспортные средства (например, тестовые парки электрифицированных рикш и автобусов с увеличенным запасом хода на алюминиево-воздушных батареях) evreporter.com. Прогресс Phinergy имеет решающее значение, поскольку это одна из первых компаний, которая вывела алюминиевые батареи из лаборатории в практическое применение на местах.
• Lyten: Lyten — это стартап из Кремниевой долины (расположен в Сан-Хосе, Калифорния), который несколько лет работал в режиме секретности, разрабатывая литий-серную батарею, усовершенствованную с помощью запатентованного 3D-графенового материала. Недавно они вышли из тени с большими новостями: в октябре 2024 года Lyten объявила о планах построить первую в мире гигафабрику литий-серных батарей в Неваде с инвестициями более 1 миллиарда долларов lyten.coml. Ожидается, что предприятие будет производить 10 ГВт·ч литий-серных батарей ежегодно к 2027 году lyten.com. Этот смелый шаг свидетельствует о том, что компания уверена в готовности своей технологии к массовому производству. Первоначальными целевыми рынками Lyten будут не легковые электромобили, а микромобильность, аэрокосмическая отрасль, дроны и оборона в 2024–2025 годах lyten.com — сферы, где высокая энергоёмкость Li-S даёт решающее преимущество, а немного меньший срок службы может быть приемлемым. Компания подчёркивает малый вес и отсутствие конфликтных минералов в своих батареях, и действительно, их элементы используют аноды из металлического лития и катоды из серно-углеродного композита, избегая никеля, кобальта и т.д. lyten.com. Генеральный директор Lyten Дэн Кук заявил: «Литий-серная технология — это скачок в развитии аккумуляторов, обеспечивающий высокую энергоёмкость и малый вес батареи, изготовленной из широко доступных местных материалов» lyten.com. С 2023 года они даже самостоятельно производят опытные аккумуляторные элементы для тестирования и совершенствования производственного процесса lyten.com. Если гигафабрика Lyten окажется успешной, это может стать переломным моментом — первыми коммерческими литий-серными батареями, произведёнными в промышленных масштабах, возможно, для использования в электросамолётах нового поколения или электрических грузовиках большой дальности, где важен каждый фунт веса.
• Theion: Theion — это стартап из Берлина, Германия, который фокусируется на литий-серных аккумуляторах с особенностью — они используют кристаллическую серу и специальные электроды для повышения стабильности. В марте 2025 года Theion привлекла 15 миллионов евро в раунде финансирования серии A для масштабирования производства своих аккумуляторных ячеек reuters.com. Theion утверждает, что их ячейки могут утроить энергетическую плотность по сравнению с литий-ионными, одновременно снизив стоимость до одной трети, как упоминалось ранее reuters.com. Сообщается, что они решили ключевые проблемы, предварительно расширяя катод для компенсации расширения серы и сохраняя серу в кристаллической форме, которая менее реакционноспособна с электролитами reuters.com. Генеральный директор Ульрих Эмес заявил, что их технология может найти применение в электромобилях, «летающих такси» или системах хранения энергии, и потенциально появиться в автомобилях к концу 2020-х годов reuters.com. К Theion проявляют интерес, потому что их подход не зависит от экзотических материалов — они подчеркивают, что их батареи «дышат» меньше и не корродируют, как ранние Li-S. Привлечённые средства помогут им разработать более крупные pouch-ячейки и выйти за пределы прототипов в виде монетных ячеек reuters.com. Интерес Германии к серным аккумуляторам также соответствует стремлению Европы к собственным, устойчивым аккумуляторным технологиям.
• Аргоннская национальная лаборатория и Министерство энергетики США: В сфере публичных исследований Аргонн (а также другие лаборатории Министерства энергетики США, такие как Ок-Ридж и Тихоокеанская северо-западная лаборатория) активно занимаются исследованиями серных аккумуляторов. Мы обсуждали достижение Аргоннской лаборатории в области межслойного дизайна для Li-S ячеек anl.gov. Они также исследуют твердотельные серные аккумуляторы в партнерстве с NASA для авиации. Офис транспортных технологий DOE финансировал несколько проектов по Li-S, Mg-S, а также Li-Air и Al-Air, признавая стратегическую важность аккумуляторов следующего поколения. Национальные лаборатории часто сотрудничают с университетами (например, Аргонн работала с командой, включающей Университет Иллинойса, над серными межслоями) и делятся результатами, на которых могут основываться стартапы. Например, значительная часть понимания поведения полисульфидов и передовых методов анализа (с использованием таких инструментов, как Advanced Photon Source Аргоннской лаборатории для рентгеновского анализа аккумуляторов anl.gov) получена именно в этих лабораториях.
• Другие заметные: Университеты, такие как Университет Монаша (Австралия), попали в заголовки в 2020 году с литий-серной батареей, которая, как утверждается, могла бы питать смартфон в течение пяти дней и показала отличную стабильность благодаря новому связующему и конструкции электрода advancedsciencenews.com. С тех пор Монаш также работал над быстрой зарядкой литий-серных батарей, нацеливаясь на использование в электрической авиации monash.edu. В Великобритании ныне несуществующая Oxis Energy была пионером в области литий-серных батарей; до своего закрытия в 2021 году Oxis разработала литий-серные элементы, приближающиеся к 400 Втч/кг, и сотрудничала с производителями самолетов. Её интеллектуальная собственность была приобретена другими компаниями, возможно, для новых проектов. Китайская академия и промышленность чрезвычайно активны — такие учреждения, как Китайская академия наук, Технологический университет Уханя (который был соавтором статьи Садовея по алюминий-серным батареям news.mit.edu), и такие компании, как CATL, исследуют серные и алюминиевые химии, хотя детали иногда держатся в секрете. Даже на Battery Day Tesla в 2020 году был намёк на интерес к сере (Илон Маск пошутил, что Tesla исследует «литий и серу», не вдаваясь в подробности, возможно, для долгосрочных проектов). Наконец, NASA и Boeing рассматривают литий-серные батареи для авиации: проект SABERS NASA создал многослойную серную батарею, достигшую 500 Втч/кг, что может позволить использовать электрические самолёты или продвинутые дроны businessaviation.aero.

Очевидно, что глобальная экосистема новаторов продвигает алюминиевые и серные батареи вперёд — от энергичных стартапов до уважаемых национальных лабораторий. В ближайшие несколько лет (2025–2030) некоторые из этих усилий, вероятно, принесут плоды в виде реальных продуктов и пилотных внедрений.

Прорывы и последние инновации (2024–2025)

Период с 2024 по 2025 год оказался особенно захватывающим для разработок алюминиевых и серных батарей, с рядом заметных прорывов:

• Январь 2024 – Алюминий-сера при 85 °C (Nature Communications): Исследователи продемонстрировали новую алюминиево-серную батарею, которая работает при 85 °C с четвертичным электролитом на основе расплавленной соли, опубликовано в Nature Communications nature.com. Эта батарея показала возможность быстрой зарядки и удивительную долговечность: она сохранила 85,4% своей ёмкости после 1400 циклов при скорости заряда 1C nature.com. Важно, что 85 °C — это значительный прогресс по сравнению с более ранними расплавленными солевыми батареями, которым требовалось 110–180 °C nature.com. Команда добилась этого, разработав специальную смесь солей (щелочные хлораллюминаты) с низкой температурой плавления, что также способствовало быстрому перемещению ионов алюминия nature.com. Они также использовали азот-допированный пористый углеродный катод, который способствовал быстрому протеканию реакций серы nature.com. Этот результат важен, потому что он указывает на практичные, недорогие сетевые батареи, которые могут работать с простым подогревом (даже просто с горячей водой в качестве источника тепла, как отмечают авторы nature.com) и обеспечивать быструю зарядку без деградации. Это шаг к тому, чтобы сделать концепцию алюминий-серной батареи MIT более удобной для пользователя и мобильной.
• Октябрь 2024 – Lyten объявляет о строительстве гигафабрики по производству Li-S: Заявление компании Lyten о гигафабрике по производству литий-серных аккумуляторов в Неваде стало одной из главных новостей отрасли в конце 2024 года lyten.com. Планируется, что это будет первая в мире гигафабрика, полностью посвящённая производству Li-S ячеек, с целевым объёмом производства 10 ГВт·ч в год к 2027 году lyten.com. Ещё более примечательно, что Lyten заявила о выходе своих Li-S аккумуляторов на отдельные рынки уже в 2024 и 2025 годах – в частности, у них есть клиенты в области микромобильности (электровелосипеды, самокаты), аэрокосмической отрасли (возможно, спутники или высотные дроны), дронов и оборонных приложений, использующих их аккумуляторы lyten.com. Это говорит о том, что Lyten перешла от лабораторных прототипов к пилотному производству и реальному использованию в этих нишах. Решение о строительстве крупного завода свидетельствует о доверии к масштабируемости технологии и формирующемся спросе на неё. Это также важный сигнал для аккумуляторной индустрии и инвесторов о том, что литий-серные технологии приближаются к массовому внедрению. В результате мы, возможно, вскоре увидим продукты с маркировкой «Li-S battery inside», по крайней мере в премиальных или специализированных сегментах.
• Март 2025 – Theion привлекает инвестиции, заявляет о 3× энергии: В марте 2025 года Reuters сообщил, что компания Theion привлекла 15 миллионов евро для масштабирования своей серной батареи, которая «накапливает больше энергии, но стоит гораздо дешевле, чем обычные литий-ионные батареи». reuters.com Theion частично раскрыла свою техническую стратегию, заявив, что их ячейки имеют тройную плотность энергии по сравнению с литий-ионными, при третьей части стоимости и третьих выбросах CO₂, как упоминалось ранее reuters.com. Они ответили на основные опасения, заявив, что избегают быстрой коррозии, используя кристаллическую серу, а с расширением справляются, предварительно расширяя структуру катода reuters.com. Привлечённые средства помогут им перейти от монетных ячеек к более крупным пакетным ячейкам (подходящим для электромобилей или авиации) reuters.com. Это событие напоминает, что не только одна, но и несколько стартапов (Lyten, Theion и другие) достигают важных этапов и привлекают инвестиции, увеличивая шансы на то, что хотя бы один из них добьётся коммерческого успеха. Это немного напоминает ранние дни литий-ионных батарей, когда в гонке участвовали несколько компаний и стран — сейчас у нас есть игроки из США и Европы, одновременно продвигающие серные батареи.
• 2023 – 2024 – Решение головоломки жизненного цикла серы: В течение 2023 года и в 2024 году несколько исследовательских групп опубликовали достижения в продлении срока службы серных аккумуляторов. Одним из ярких моментов стало исследование под руководством Аргоннской национальной лаборатории (опубликовано в августе 2022 года в Nature Communications), показавшее, что редокс-активный промежуточный слой может значительно повысить стабильность литий-серных аккумуляторов anl.gov. К началу 2023 года они сообщили, что этот подход позволяет создавать ячейки, сохраняющие высокую ёмкость на протяжении сотен циклов anl.gov, приближая литий-серные аккумуляторы к пригодности для повседневного использования. В середине 2024 года другая команда сообщила о складывающемся, гибком литий-серном аккумуляторе с использованием специального катода из сульфида железа, который мог даже выдерживать разрезание без отказа acs.org – новое решение для носимой или гибкой электроники на основе литий-серных аккумуляторов. Эти поэтапные инновации важны: они поочередно решают практические проблемы (такие как управление полисульфидами, механические нагрузки и т.д.). Каждое улучшение приближает литий-серные ячейки к соответствию строгим требованиям коммерческой электроники и транспорта.
• 2024 – Всплеск исследований алюминиевых аккумуляторов: В области алюминия в конце 2024 года также появились интересные исследования. Учёные исследовали новые катодные материалы для алюминиевых ионных аккумуляторов, такие как сульфид кобальта, чтобы достичь большей ёмкости и лучшего понимания механизмов хранения заряда nature.com. Растёт количество работ по «мультивалентным» аккумуляторам (включая Al, Mg, Zn), которые часто сталкиваются с похожими проблемами и прорывами – например, улучшенные электролиты, помогающие одной системе, иногда можно применить и к другой advanced.onlinelibrary.wiley.com. Мы также видим, что такие страны, как Индия, инвестируют в технологии алюминиевых аккумуляторов не только через алюминий-воздушные батареи Phinergy, но и в академические исследования по созданию перезаряжаемых алюминиевых аккумуляторов, подходящих для индийских условий (правительство финансирует проекты в рамках национальной программы по накоплению энергии). Хотя об этом пока не пишут мировые СМИ, это способствует формированию глобального интереса к алюминиевым аккумуляторам.
• Сигналы политики и рынка: Прорывные истории связаны не только с технологиями. В 2024–2025 годах мы видим сильные рыночные сигналы в поддержку этих новых аккумуляторов. Закон США о снижении инфляции (IRA) и другие меры поощряют создание внутренних цепочек поставок аккумуляторов — что выгодно химическим составам, которые можно производить из местных материалов, таких как сера (в США много серы получают при переработке нефти) и алюминий. Гигафабрика Lyten в Неваде и интерес Министерства обороны США к легким Li-S аккумуляторам для солдат или спутников — это результаты этих стимулов lyten.com. В Европе стремление к устойчивому развитию делает аккумуляторы без кобальта и никеля очень привлекательными, поэтому ЕС финансирует проекты вроде Theion и другие. Даже в Китае, где доминирует производство литий-ионных аккумуляторов, существуют государственные программы поддержки «батарей следующего поколения» (например, по сообщениям, CATL работает над гибридным натрий-ионным + серным аккумулятором, запуск которого ожидается примерно в 2023/24 годах для стационарного хранения). Все эти тенденции указывают на то, что настало время для алюминиевых и серных аккумуляторов — мир ищет решения, и технологии догоняют эти потребности.

По сути, за последние два года алюминиевые и серные аккумуляторы превратились из нишевого лабораторного любопытства в серьёзных претендентов на будущее хранения энергии. Как метко заметил один из учёных, «Мы на шаг ближе к тому, чтобы увидеть эту технологию в нашей повседневной жизни». anl.gov Такой поэтапный прогресс — это именно то, что происходит сейчас, а следующий шаг — более широкая коммерциализация и масштабирование этих инноваций.

Потенциальные применения и влияние на чистую энергетику и электромобили

Рост алюминиевых и серных аккумуляторов может повлиять на широкий спектр отраслей. Вот некоторые из самых перспективных применений и их последствия:

• 🏠 Хранение возобновляемой энергии (для сетей и дома): Возможно, наибольшее влияние в ближайшей перспективе окажет стационарное хранение энергии для чистой энергетики. Одна из главных проблем возобновляемых источников энергии (солнечная, ветровая) — прерывистость: солнце и ветер доступны не круглосуточно, поэтому нам нужны масштабные и экономичные аккумуляторы для хранения энергии на то время, когда они не вырабатывают электричество. Литий-ионные батареи начали использоваться для хранения энергии в сетях, но они всё ещё относительно дороги и зависят от импортируемых материалов. Алюминиево-серные и натрий-серные аккумуляторы, благодаря своим крайне дешёвым компонентам, могут радикально снизить стоимость хранения одного киловатт-часа. Садоуэй из MIT специально ориентировал свой алюминиево-серный аккумулятор на домашний и районный масштаб — «размер, необходимый для питания одного дома или малого/среднего бизнеса» (порядка десятков кВт·ч) news.mit.edu. Такие аккумуляторы позволят домовладельцам с солнечными панелями на крыше дёшево хранить энергию, выработанную днём, для ночного использования, а малому бизнесу — иметь резервное питание без дизельного генератора. В более крупном масштабе энергетические компании смогут размещать огромные батарейные массивы на основе алюминия или натрий-серы для сглаживания выработки возобновляемой энергии. Команда Сиднейского университета отметила, что их недорогой натрий-серный аккумулятор может «существенно снизить стоимость перехода к декарбонизированной экономике», обеспечивая доступное хранение энергии sydney.edu.au. В регионах, где нет условий для гидроаккумулирующих станций, эти электрохимические решения являются ключевыми. Кроме того, поскольку новые аккумуляторы не воспламеняются (что важно для безопасности сообществ) и используют доступные материалы, их можно производить и устанавливать локально во многих регионах — что повышает энергетическую безопасность. В целом, широкое внедрение стационарных алюминиево/серных аккумуляторов позволит большую долю возобновляемой энергии, снизит ограничения (потери солнечной/ветровой энергии из-за нехватки хранилищ) и поможет стабилизировать энергосистему с помощью чистой, управляемой энергии.
• 🚗 Электромобили (EV): Более легкие и энергоемкие аккумуляторы — это святой Грааль для электромобилей и даже электрической авиации. Особенно привлекательны здесь литий-серные аккумуляторы. Li-S батарея может кардинально увеличить запас хода электромобиля без увеличения веса — или, наоборот, обеспечить тот же запас хода с гораздо более легкой батареей, повысив эффективность. Например, если современному электромобилю требуется 600 кг литий-ионной батареи для пробега 300 миль, то литий-серная батарея с удвоенной энергоемкостью может достичь этого с ~300 кг, значительно снижая массу автомобиля. Это улучшает разгон, управляемость и снижает расход энергии на милю. Это также может сделать электрические грузовики и автобусы более жизнеспособными за счет освобождения полезной нагрузки. Компании, такие как Oxis Energy (до закрытия) и Sion Power, работали с партнерами из аэрокосмической и автомобильной отрасли над прототипами Li-S аккумуляторов для дальнемагистральных самолетов и электромобилей. На самом деле, ранние Li-S элементы Sion Power обеспечили работу Высотного Псевдоспутника (беспилотного солнечного самолета), который побил рекорды продолжительности полета в 2010-х годах. В последнее время NASA и Airbus рассматривают Li-S как один из немногих способов достичь необходимых 500 Втч/кг для практических электрических пассажирских самолетов businessaviation.aero — успех их проекта SABERS намекает на появление региональных электрических самолетов на горизонте, использующих серные батареи. Электрические летающие такси и дроны также получат выгоду; Theion прямо упоминала летающие транспортные средства как целевой сегмент reuters.com. Помимо Li-S, даже алюминий-воздушные батареи могут найти применение в электромобилях: они могут служить модулем-удлинителем запаса хода, который активируется для дальних поездок. Представьте электромобиль с небольшой литий-ионной батареей для ежедневных поездок и алюминий-воздушной «вспомогательной батареей», которую вы пополняете (заменяя алюминий) только при дальних поездках на 1000 км. Такие гибридные архитектуры батарей рассматриваются в проектах Indian Oil/Phinergy и других. Следует отметить, что массовые электромобили не перейдут на совершенно новую химию за одну ночь — безопасность, долговечность и быстрая зарядка должны быть доказаны — но в конце 2020-х вполне возможно, что премиальные модели или специализированные транспортные средства могут получить аккумуляторы нового поколения. Если это произойдет, это может вывести характеристики электромобилей на новый уровень (запас хода 500+ миль, очень быстрая зарядка, более легкие автомобили) и снизить зависимость от критически важных минералов, что позволит масштабировать внедрение электромобилей без дефицита ресурсов.
• 📱 Портативная электроника и носимые устройства: Ваш будущий смартфон или ноутбук также может получить выгоду от серных или алюминиевых аккумуляторов, хотя для этих применений требуется длительный срок службы и низкий саморазряд (в этих областях литий-ионные аккумуляторы пока превосходят конкурентов). Литий-серный аккумулятор мог бы позволить вашему телефону работать несколько дней без подзарядки — вспомните концепцию Monash University о телефоне, работающем 5 дней на Li-S аккумуляторе advancedsciencenews.com. Экономия веса менее критична для телефона, но энергоёмкость — очень важна. Одна из проблем здесь в том, что потребительские гаджеты рассчитаны на сотни циклов и годы календарного срока службы; Li-S потребуется доработка, чтобы соответствовать этим требованиям. Тем не менее, мы можем увидеть нишевые гаджеты или носимые устройства, использующие их, если они дадут преимущества в форм-факторе. Алюминиевые аккумуляторы, особенно гибкие конструкции, такие как у Stanford, могут позволить создавать складывающиеся или сворачиваемые гаджеты. Например, алюминий-ионный аккумулятор, который гибкий, можно встроить в ремешок умных часов или в умную одежду. Кроме того, поскольку Al-ion можно сделать очень безопасными (без риска возгорания), их можно встраивать в устройства без громоздких защитных корпусов, возможно, даже позволяя более креативный промышленный дизайн. Всё это пока предположения, но по мере совершенствования производства потребительская электроника может стать важным рынком (в конце концов, именно так начался рост литий-ионных аккумуляторов в 1990-х).
• ⚡ Инфраструктура быстрой зарядки: Менее очевидное, но важное применение — использование этих новых аккумуляторов для обеспечения быстрой зарядки электромобилей и стабилизации энергосети. Как отметил профессор Садоуэй, если много электромобилей попытаются зарядиться одновременно (например, несколько машин на трассовой станции), спрос на мощность резко возрастает и превышает возможности электросети news.mit.edu. Вместо модернизации линий электропередачи разумнее установить буферные аккумуляторы на зарядных станциях — аккумулятор медленно заряжается от сети, а затем быстро отдаёт энергию автомобилям по мере необходимости. Для таких буферных аккумуляторов важнее всего стоимость и безопасность, а вес не так критичен. Это делает алюминий-серные или натрий-серные аккумуляторы идеальными кандидатами. Они размещаются на месте, дёшево хранят энергию, не воспламеняются и могут быстро отдавать заряд. Садоуэй специально отметил, что системы Al-S могут «устранить необходимость установки дорогих новых линий электропередачи» для кластеров быстрых зарядных станций news.mit.edu. По сути, такие аккумуляторы могут выступать в роли амортизаторов для электросети, накапливая избыточную энергию и отдавая её по требованию — будь то всплески зарядки электромобилей или балансировка колебаний выработки возобновляемой энергии.
• 🏭 Промышленный и коммерческий резерв: Так же, как телекоммуникационные вышки используют алюминиево-воздушные батареи для резервного питания, другие отрасли и коммерческие объекты могут использовать алюминиевые или серные батареи для обеспечения надежности и сокращения зависимости от дизельных генераторов. Например, дата-центры нуждаются в батареях, которые безопасны, имеют долгий срок хранения и экономически эффективны в крупном масштабе — можно представить себе помещения с натрий-серными батареями, заменяющими банки литий-ионных или свинцово-кислотных батарей, которые сейчас используются для ИБП (источников бесперебойного питания). В удалённых или автономных объектах дешёвые батареи, не требующие частой замены, чрезвычайно ценны (меньше выездов на обслуживание). Алюминиево-серные батареи, прогнозируемые как очень дешёвые по стоимости за кВт·ч, могут позволить создавать микросети в сельских или островных сообществах, в сочетании с солнечной/ветровой энергией, чтобы обеспечивать круглосуточное электроснабжение без чрезмерных затрат.
• 🚀 Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Высокая производительность этих батарей естественно привлекательна для аэрокосмических и оборонных применений. Как отмечалось, спутники и высотные дроны (псевдоспутники) успешно использовали Li-S благодаря их малому весу и хорошей работе при низких температурах (космические батареи часто работают в холоде). Вооружённые силы США заинтересованы в более лёгких батареях для солдат (чтобы уменьшить нагрузку от переноски множества литий-ионных аккумуляторов) — серная батарея могла бы значительно облегчить этот груз. Кроме того, поскольку в серных батареях нет соединений, выделяющих кислород (в отличие от литий-ионных, которые могут выделять O₂ при тепловом разгонe), они могут быть безопаснее в замкнутых пространствах, таких как подводные лодки или космические корабли. Алюминиево-воздушные батареи могут служить источником питания под водой для беспилотных подлодок с большой автономностью, где дозаправка алюминием возможна. Оборонный сектор часто выступает ранним пользователем передовых технологий, которые затем распространяются шире, поэтому их инвестиции в технологии алюминиевых и серных батарей могут ускорить развитие. Фактически, первые проекты Lyten в 2024–25 годах на рынках космоса, дронов и обороны намекают, что оборонные контракты помогают доказать технологию lyten.com до более широкого потребительского применения.

Во всех этих сферах основное влияние заключается в ускорении перехода к чистой энергии. Снижая стоимость батарей и освобождая нас от ограничений цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов, алюминиевые и серные батареи могут сделать электромобили доступнее для большего числа людей (что критично для декарбонизации транспорта), сделать возобновляемую энергетику более надёжной и распространённой (что критично для декарбонизации электроэнергетики), а также открыть новые возможности, такие как электрические полёты. Они также несут экологические преимущества при использовании: например, замена дизельных резервных генераторов на алюминиево-воздушные или натрий-серные батареи снижает локальное загрязнение воздуха и выбросы CO₂. Если технология оправдает ожидания, мир может увидеть дешёвые электромобили, более устойчивые чистые энергосети и сокращение добычи редких металлов — положительный цикл для экономики и окружающей среды.

Экономические и экологические последствия

С экономической точки зрения, алюминиевые и серные батареи могут стать прорывом в лучшем смысле этого слова: за счёт снижения стоимости хранения энергии и диверсификации цепочки поставок. Батарея составляет значительную часть стоимости электромобиля или системы возобновляемой энергии, поэтому более дешёвые батареи означают более дешёвые продукты и более быстрое внедрение. Аналитики отмечают, что такие материалы, как алюминий и сера, стоят лишь малую долю от стоимости лития, никеля или кобальта. Например, по одной из оценок, стоимость материалов для алюминиево-серных ячеек составляет всего около 15% от стоимости эквивалентной литий-ионной ячейки news.mit.edu. Если эти сбережения перейдут на производство, мы можем увидеть, как цены на батареи (за кВт·ч) опустятся значительно ниже текущей кривой обучения литий-ионных батарей. Дешёвое хранение энергии может стимулировать экономический рост, позволяя реализовывать новые бизнес-модели (например, больше солнечных электростанций, проекты общественного хранения и т.д.), а также снижая затраты на энергию для потребителей (представьте, что вы заряжаете домашнюю батарею каждый день от солнца и никогда не платите пиковые тарифы электросети).

Есть также геополитический аспект: производство литий-ионных батарей сегодня сильно сконцентрировано (Китай доминирует в производстве ячеек, а такие страны, как ДРК, поставляют ключевые минералы). Алюминий, однако, выплавляется по всему миру (а переработка обеспечивает и локальный источник), а сера встречается повсеместно. Многие страны, не имеющие ресурсов лития, всё же обладают развитой алюминиевой промышленностью (например, Индия, как мы видели на примере IOC Phinergy). Поэтому батареи на основе алюминия могут позволить большему числу стран создавать собственную индустрию батарей без зависимости от импорта лития или кобальта. Такая диверсификация может снизить глобальные риски в цепочке поставок и сделать переход к электротранспорту и возобновляемой энергетике более устойчивым к дефициту или политической нестабильности. В Неваде запланированный завод Lyten — пример такого подхода: использование серы, добытой в США, и сборка батарей внутри страны lyten.com соответствует политике по локализации производства батарей и созданию рабочих мест (на полной мощности на этом заводе планируется 1 000 рабочих мест lyten.com).

С экологической точки зрения эти батареи предлагают несколько преимуществ:

• Меньший углеродный след: Производство батарей энергоёмко, но серные и алюминиевые батареи можно изготавливать с менее сложной обработкой. Переработка кобальта и никеля особенно энергоёмка и сопровождается большими выбросами углерода. Исключая их, производители могут снизить выбросы CO₂ на каждый кВт·ч батареи. Компания Theion заявила о снижении углеродного следа своих серных батарей на 2/3 по сравнению с литий-ионными reuters.com. Кроме того, серу можно получать как побочный продукт (фактически без дополнительного углеродного следа), а переработка алюминия требует всего около 5% энергии по сравнению с первичным производством — поэтому использование переработанного алюминия в батареях значительно уменьшит их совокупную энергоёмкость.
• Переработка и утилизация: Алюминий уже является одним из самых перерабатываемых материалов (вспомните алюминиевые банки). Существует инфраструктура для переплавки алюминиевого лома и его повторного использования. Если алюминиевые батареи станут распространёнными, можно представить, что использованные алюминиевые аноды будут регулярно собираться и перерабатываться с высокой эффективностью — круговая экономика для батарейного металла. Сера в контексте батарей может быть сложнее для прямой переработки из ячеек (особенно если она связана в соединениях), но поскольку она дешева и нетоксична, даже если она окажется на свалке, это не такая большая экологическая опасность, как, например, свинец или кадмий в старых батареях. Исследователи могут найти способы извлекать серу или превращать отходящую от батарей серу в полезные химикаты (например, сера также используется в удобрениях). Отсутствие тяжёлых металлов в этих батареях означает менее токсичные электронные отходы при неправильной утилизации, а в идеале — более простую обработку на перерабатывающих предприятиях.
• Снижение воздействия добычи: Добыча лития, кобальта и никеля оказывает значительное экологическое и социальное воздействие — от использования воды при добыче лития из рассолов до разрушения среды обитания и загрязнения вокруг никелевых рудников, а также проблем детского труда на некоторых кобальтовых рудниках. Сокращая или устраняя потребность в этих материалах, алюминиевые и серные батареи могут снизить это давление. Алюминий не является полностью безвредным (добыча бокситов и плавка алюминия имеют свои проблемы, такие как образование красного шлама и высокое энергопотребление), но эти процессы хорошо регулируются во многих странах, и технологии совершенствуются (например, инертные аноды для плавки алюминия для снижения выбросов). И снова, переработка алюминия значительно уменьшает потребность в новой добыче. Использование серы в основном связано с повторным использованием уже существующего побочного продукта — это может даже решить проблему (огромные запасы серы), а не создать новую.
• Безопасность и здоровье: Пожары батарей были проблемой для литий-ионных аккумуляторов, так как при их возгорании выделяются токсичные газы и возникают трудно тушимые пожары (как показали некоторые инциденты с электромобилями). Негорючие батареи означают меньше случаев возгорания, что является победой для безопасности общества. Это также означает более безопасное обращение с батареями при транспортировке и на пунктах утилизации. Например, списанные электромобили с литий-ионными батареями представляют пожарную опасность при повреждении; электромобиль с алюминиево-серной батареей может быть гораздо безопаснее для разборки. То же касается и потребительских устройств — меньше случаев взрывов или возгораний устройств (вспомните печально известные пожары в телефонах) полезно для общественного здоровья и доверия к батарейным технологиям.
• Чистое резервное питание: В местах, где сейчас используются дизельные генераторы для резервного или удалённого питания (острова, убежища, телекоммуникационные вышки), замена их на алюминиево-воздушные или натрий-серные батареи устраняет сжигание дизельного топлива, а значит — отсутствие выбросов парниковых газов, отсутствие загрязнения частицами и шума. Это прямое улучшение окружающей среды и качества жизни. Например, телекоммуникационные вышки на алюминиево-воздушных батареях в Индии будут производить нулевые локальные выбросы, тогда как дизельные генераторы способствуют загрязнению воздуха и выбросам углерода.

В целом, алюминиевые и серные батареи имеют потенциал демократизировать хранение энергии — сделать его доступным и экологически безопасным настолько, чтобы мы могли использовать батареи везде, где это необходимо для обеспечения чистого энергетического будущего. Они не станут панацеей (скорее всего, будет использоваться смесь различных батарейных технологий), но их появление на рынке может снизить стоимость и заставить всех производителей батарей улучшать устойчивость.

Конечно, экономический успех этих аккумуляторов не гарантирован; им предстоит доказать, что их можно производить дешево и что они будут надежно работать в больших масштабах. Но недавние инвестиции и успехи прототипов весьма обнадеживают. Если им удастся, выигрыш будет не только в виде более дешевых электромобилей или лучших гаджетов — это будет значимое сокращение экологического ущерба от использования аккумуляторов и стимул для глобальных усилий по декарбонизации.

Заключение: Светлое будущее, заряженное обычными элементами

Аккумуляторы на алюминии и сере, когда-то считавшиеся аутсайдерами, стремительно приближаются к коммерческой реальности. Эти аккумуляторы воплощают убедительную идею: использовать простые, доступные ингредиенты, чтобы решать сложные энергетические задачи. За последние пару лет достижения в химии и материаловедении значительно приблизили эту идею к воплощению. Сейчас у нас есть прототипы алюминий-серных ячеек, которые могут быстро заряжаться за минуты и работать тысячи циклов nature.com, литий-серные аккумуляторы, достигающие энергетической плотности, о которой десять лет назад только мечтали reuters.com, и даже алюминий-воздушные системы, начинающие реальную эксплуатацию, обеспечивая чистую энергию evreporter.com.

Переход от зависимости от редких металлов и дорогого импорта к аккумуляторам из «копеечных» элементов, таких как Al и S, может изменить индустрию аккумуляторов так же, как кремний изменил электронику — позволив масштабировать производство и снизить стоимость. Как пошутил Садоуэй, у этих новых аккумуляторов «есть всё, о чём вы мечтали: дешёвые электроды, хорошая безопасность, быстрая зарядка, гибкость и долгий срок службы» news.stanford.edu. Ещё есть что доработать, но направление ясно.

В ближайшие годы мы можем ожидать новостей о пилотных внедрениях (возможно, солнечная электростанция в Калифорнии с алюминий-серными ячейками MIT или дрон на батарее Lyten Li-S, устанавливающий рекорды по времени работы). По мере роста производства стоимость будет снижаться, а оставшиеся технические проблемы — будь то срок службы или рабочая температура — скорее всего, будут решены благодаря интенсивным исследованиям по всему миру.

Для широкой публики влияние может проявиться в тонких, но важных вещах: электромобиль станет дешевле и будет ездить дальше, смартфон останется заряженным на все выходные, район сохранит свет с помощью аккумулятора, когда шторм выведет из строя электросеть, и всё это — благодаря материалам, таким же обычным, как алюминиевая фольга и садовое удобрение (сера). Мировой спрос на аккумуляторы только растёт, и технологии на алюминии и сере гарантируют, что мы сможем удовлетворять этот спрос устойчиво.

Как один из учёных, участвующих в разработке этих аккумуляторов, с оптимизмом заявил: «Эти результаты демонстрируют … огромное влияние на развитие [аккумуляторов]. Мы на шаг ближе к тому, чтобы увидеть эту технологию в нашей повседневной жизни.» anl.gov Действительно, будущее, в котором наша жизнь будет питаться алюминием и серой — двумя самыми неприметными элементами Земли — теперь явно на горизонте. Революция в хранении энергии уже началась, и она строится на основах обычной химии, инновационной инженерии и настоятельной необходимости более чистого и дешёвого энергетического будущего.

Источники: Информация и цитаты в этом отчёте взяты из недавних авторитетных источников, включая рецензируемые исследования, пресс-релизы университетов, отраслевые новости и отчёты Reuters. Ключевые ссылки включают MIT News о алюминий-серных аккумуляторах news.mit.edu, прорывы Национальной лаборатории Аргонн в области литий-серных аккумуляторов anl.gov, материалы Reuters о разработках компаний Theion и Lyten reuters.com, lyten.com, а также интервью с лидерами отрасли (например, генеральный директор Phinergy о преимуществах алюминий-воздушных аккумуляторов evreporter.com). Эти и другие ссылки по тексту предоставляют подробные подтверждения заявленных фактов.