Первый автосервисный журнал
Издается с 1997 года

Обыкновенное чудо

Обыкновенное чудо

Ученые по всему миру стараются найти решение, которое позволило бы уйти от недостатков, присущих электромобилям. Известно, что одним из главных признан ограниченный пробег на одной зарядке. Решить проблему в ближайшие десять лет может графен – материал с уникальными свойствами.

Графен начали воспринимать как чудо-материал сразу после обособления его от графита в 2004 году. Толщина этой модификации углерода составляет всего атом, однако сам материал получается гибким, при этом превосходит сталь по прочности, способен эффективно проводить тепло и электричество.

Несмотря на поразительные свойства материала, его производство в промышленных масштабах так и не началось. Все дело в дороговизне получения графена. Хотя если дешевый способ все-таки будет найден, перед человечеством откроются новые возможности: от создания искусственной кожи, способной передавать тактильные ощущения, до новых аккумуляторов.

В 100 раз дешевле

Исследователи из Университета Глазго заявили недавно об очередном прорыве. По их словам, разработан новый способ производства больших листов графена с использованием дешевой меди, которую применяют при выпуске хорошо знакомых литий-ионных батарей. Открытие удешевило технологию в 100 раз.

Одним из способов, которым можно получить графен, является химическое парофазное осаждение (CVD-процесс). Газообразные реагирующие вещества превращаются в пленку графена на специальной поверхности, известной как подложка.

Исследователи использовали похожий процесс для создания высококачественной модификации углерода на поверхности коммерчески доступной медной фольги. Такого типа материал часто используют в качестве отрицательного электрода при выпуске литий-ионных аккумуляторов. Ультрагладкая поверхность меди выступает в качестве отличной основы, на которой формируется графен.

Сотрудники Университета Глазго обнаружили, что полученный ими графен резко улучшил характеристики транзисторов с использованием нового материала по сравнению с транзисторами, графен для которых производили старыми методами.

Графен поможет сделать компьютеры в машинах быстрее
Графен поможет сделать компьютеры в машинах быстрее

«Коммерчески доступная медь, примененная нами в эксперименте, продается в магазинах по цене 1 долл. за квадратный метр, – отметил представитель университета Равиндер Дахийа. – Для сравнения, медь, которую сейчас используют для выпуска модификации углерода, стоит 115 долл. В конечном счете расходы на подложку увеличиваются еще больше, поскольку такую медь еще необходимо соответствующе подготовить».

По словам ученого, новый метод позволяет производить графен с низкой себестоимостью. Это приближает человечество к созданию новых электронных устройств с широким кругом применения.

Энергия из воздуха

Также под конец года пришло еще одно сообщение о технологическом прорыве, связанном с графеном. Ученые Кембриджского университета создали работоспособный лабораторный образец литий-воздушного аккумулятора. Он характеризуется очень высокой энергоемкостью (более чем на 90% эффективнее сегодняшних аккумуляторов), зарядить после разрядки его можно более 2000 раз.

О литий-воздушных аккумуляторах в принципе известно давно, однако до недавнего времени ряд нерешенных проблем, связанных с ними, не позволял технологии развиваться дальше. Теперь же ученые считают, что смогли обойти трудности.

Такие батареи уже называли идеальными: теоретически они могут запасать в 10 раз больше энергии по сравнению с литий-ионными. Более того, по данной характеристике они приближаются к показателям традиционного топлива. Это означает, что электромобили могут получить источник энергии, который будет в 5 раз дешевле и в 5 раз легче обычного, а на одной зарядке он сможет пройти около 600 км.

Графен привлекает ученых своей структурой
Графен привлекает ученых своей структурой

Как обычно бывает с перспективными разработками, впечатляюще характеристики выглядят на бумаге, на деле широкому распространению технологии мешают несколько препятствий. Представленный в Кембридже образец призван продемонстрировать, как данные препятствия можно обойти.

Прочный и пушистый

В своей работе ученые использовали высокопористый углеродный электрод, для лучшего понимания технологии охарактеризовав его как «пушистый». При производстве применили графен и специальные добавки, которые влияют на химические реакции, протекающие в аккумуляторе. В результате он получается более стабильным и эффективным.

Хотя результаты впечатляют, специалисты предупреждают, что до появления полноценных рабочих литий-воздушных батарей остается по меньшей мере еще лет десять. «Нам удалось значительно продвинуться в деле работы с этой технологией, она открывает целые области для дальнейших исследований, – заявили в университете. – В то же время не все трудности удалось обойти, хотя наши результаты все-таки подсказывают пути решения, необходимые для того, чтобы литий-воздушные батареи нашли практическое применение».

Снизить цену помогла медь
Снизить цену помогла медь

Многие из технических новинок, прочно вошедшие в наш обиход, с каждым годом становятся меньше, быстрее и дешевле, однако, подчеркивают авторы исследования, аккумуляторы не вписываются в данную тенденцию. Хотя прорыв в этой области может не только продлить работу смартфона. Способные запасать большое количество энергии аккумуляторы будут содействовать резкому развитию электротранспорта и солнечной энергетики.

Просто о сложном

Самая простая батарейка, объясняют ученые, состоит из трех компонентов: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита. В литий-йонном аккумуляторе, от которого питаются телефоны и ноутбуки, положительный электрод выполнен из оксида металла, к примеру, кобальтита лития. Электролит – литиевая соль, растворенная в органическом соединении. Переносчик заряда – положительно заряженный ион лития.

Такие батареи легче свинцовых, однако и у них есть недостатки. Прежде всего, со временем они теряют свою емкость, которая и без того невелика. Что вызывает еще одно неудобство: появляется необходимость частой зарядки. За последнее десятилетие ученые пробовали создать множество альтернатив литий-ионным аккумуляторам. Пока ряд специа­листов считает, что наиболее перспективны литий-воздушные источники тока, поскольку последние способны запасать огромное количество энергии.

Продемонстрированные ранее образцы показывали низкую эффективность, в них отмечалось протекание нежелательных химических реакций, а работали они только в чистом кислороде. Ученые из Кембриджа использовали другие компоненты, а также иодид лития в качестве «посредника». Результатом стала более устойчивая батарея с большим циклом заряда/разряда.

Эксперименты с новыми источниками тока не прекращаются
Эксперименты с новыми источниками тока не прекращаются

Нерешенные проблемы

Разработка новой структуры электрода, выполненного из высокопористого графена, использование иодидов лития и новых компонентов позволили уменьшить разницу напряжения при заряде и разряде аккумулятора до 0,2 В. А чем меньше эта разница, тем эффективнее батарея. На ранее представленных образцах разница достигала 0,5–1 В. Полученные результаты в 0,2 В приближают по характеристикам литий-воздушный аккумулятор к литий-ионному, с КПД в 93%.

Высокопористый графеновый электрод сильно увеличил энергоемкость аккумулятора, правда, не при всяком токе заряда и разряда. Нерешенными пока остаются вопросы защиты электрода от так называемых дендридов.

Дендриды лития могут прорастать внутри банок аккумуляторов, что грозит коротким замыканием. Это, в свою очередь, способно вызвать возгорание или взрыв. Возникновение дендридов лития часто является побочным следствием быстрой и неравномерной зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Что не менее важно, продемонстрированный образец способен нормально работать в чистом кислороде. А в состав воздуха помимо кислорода входят углекислый газ, азот и вода. Эти вещества преимущественно агрессивны по отношению к металлическому электроду. Так что, отмечают разработчики, впереди предстоит еще много работы. Между тем полученные результаты говорят о том, что пути решения возникающих проблем существуют.

Как у нас?

Развитием технологии занимаются и в России. По данным Московского государственного университета, в РФ создан Сколтех – университет, задуманный на базе экосистемы Сколково для подготовки студентов на базе лабораторий, открытых в передовых областях науки и техники, наподобие MIT.

Несколько лет назад новый вуз объявил конкурсы прикладных проектов для российских научных организаций. По условиям конкурсов, проект должен выполняться совместно с одним из ведущих западных вузов. Победители получали достаточно мощное финансирование. В 2012 году в первой волне конкурса победили два проекта из МГУ и один из Института общей генетики РАН.

Для совместной реализации одного из вы­игравших проектов – в области электрохимических устройств нового поколения – партнером МГУ стал MIT. В рамках проекта в МГУ предусмотрено создание Центра по электрохимической энергетике.

Российские ученые также работают над литий-воздушной батарейкой
Российские ученые также работают над литий-воздушной батарейкой

Электрохимическими источниками тока в МГУ давно и активно занимаются. По словам Даниила Иткиса, который проводит исследования в этой области на кафедре неорганической химии, он и его коллеги опубликовали важный результат по литий-воздушным аккумуляторам в престижном журнале американского химического общества «Nano Letters»; этот результат стал серьезной вехой в конт ексте развития проекта со Сколтехом. Российские ученые обнаружили причину, по которой эти весьма перспективные устройства имеют ограниченное число циклов зарядки-разрядки.

Литий-воздушные аккумуляторы – это устройства, которые в потенциале способны обогнать по своим качествам литий-ионные аккумуляторы, повсеместно применяемые в мобильных устройствах: смартфонах, видеокамерах, ноутбуках и даже автомобилях. Их главное отличие от обычных литий-ионных устройств – то, что окисление и восстановление лития происходит с участием атмосферного кислорода. Это сильно упрощает химию процесса, позволяет отказаться от тяжелых материалов для электродов и электролита, тем самым на единицу массы аккумулятора можно запасти в несколько раз больше энергии, отмечают отечественные ученые.

Однако и создать работающее устройство оказалось технически гораздо сложнее. Литий-воздушные аккумуляторы после нескольких перезарядок теряют все свои полезные качества. Российским ученым удалось установить причину этого явления – оказалось, что материал катода, в качестве которого используется углерод, разрушается под действием образующегося в аккумуляторе агрессивного окислителя – супероксида лития – и, частично превращаясь в карбонат лития, перестает работать.

«Супероксид лития в литий-воздушных аккумуляторах никогда не наблюдали, это промежуточный продукт, очень активный. Он химически разрушает даже такой материал, как графен. Так что какой нужен здесь графен и графен ли вообще должен быть в качестве катода – вопрос. Вероятно, нужно искать другие мате­риалы», – говорит Даниил Иткис. Альтернативный вариант – связывание супероксидов специальными блокирующими их активность веществами с последующим восстановлением до пероксидов. Проверкой этих гипотез и поиском новых материалов для литий-воздушных аккумуляторов МГУ совместно с MIT занимается в рамках создаваемого при поддержке Сколтеха Центра по электрохимической энергетике.

Новые батарейки нужны электрокарам
Новые батарейки нужны электрокарам

Работы по созданию литий-воздушных аккумуляторов сверхвысокой емкости для мобильных приложений и автотранспорта ведет и компания ФМ «Лаб». Судя по ее отчетам, успехи здесь поскромнее, чем у западных коллег. Тем не менее ФМ «Лаб» также представила лабораторный прототип литий-воздушного аккумулятора, опытные образцы стеклокерамического электролита, опытные образцы анодного материала с подавлением дендридообразования.

Была достигнута плотность энергии до 1500 Втч/кг активных материалов. Образец гарантирует десятки циклов при рабочих токах до 0,5 мА/см2 и малой глубине разряда. В то же время отечественные разработчики не избежали проблемы – циклируемости при больших глубинах разряда.

Были представлены и характеристики опытного образца твердого электролита. Так, его диаметр составлял до 50 мм, толщина менее 150 мкм, а проводимость – 0,5 мСм/см. Следующими шагами компания-разработчик видит разработку промышленного образца, а также технологии для толщин до 50 мкм. Что касается характеристик опытного образца анодного материала, то его емкость составила более 10 мАч/см2, циклов разряд/заряд – более 50.

Подобные результаты говорят о том, что в принципе неразрешимых проблем не бывает. Вопрос лишь в том, сколько времени потребуется для преодоления той или иной технической трудности.

  • Андрей Филатов

Адрес редакции

111033 Москва, ул. Самокатная, 2а, стр.1, офис 313

На карте

Контакты

Тел.: (495) 361-1260

E-mail: отправить письмо

Журнал «АБС-авто» © 2018, все права защищены