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.
«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.
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».
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.
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.
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.
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.
