Электрохимическая свобода

Привычные всем электрические батареи и аккумуляторы на деле являются одними из технологических столпов современной цивилизации

Мобильный мир
Представьте мир, где каждый раз, чтобы завести автомобиль или сделать звонок с мобильного, вам необходимо сначала подключиться к ближайшей розетке или к дизель-генератору.
К счастью, в реальной жизни от подобных неудобств мы избавлены наличием всевозможных батарей и аккумуляторов.
Воспринимая, однако, эти электрохимические источники электрической энергии как должное, мы зачастую не осознаем их роли в нашей жизни.
Меж тем многие технологические достижения в самых различных сферах, от робототехники и автомобилестроения до медицины и нанотехнологий, остались бы просто нереализованными, не будь у нас компактных автономных устройств хранения и генерирования электрической энергии.
В свете этого неудивительна обеспокоенность, что выражают некоторые ученые по поводу недостаточного, на их взгляд, прогресса в создании новых, высокоемкостных батарей и аккумуляторов.
Узнайте вместе с «Открытой» об успехах и проблемах современной индустрии электрохимических источников питания.

Старые знакомые
Формально история электрических батарей началась в 1799 году, когда итальянский ученый Алессандро Вольта (1745-1827) представил публике «вольтов столб» – первую, говоря современным языком, гальваническую батарею.
В свою очередь, в 1859 году французский физик Гастон Планте (1834-1889) изобрел знакомый всем автомобилистам свинцово-кислотный аккумулятор.
После улучшений, внесенных в 1881 году другим французом, Камилем Форе (1840-1898), данный тип перезаряжаемых батарей стал и до сих пор остается одним из самых распространенных в мире.
Примерно в то же время (1896) появились в продаже и предки нынешних «энерджайзеров» и «дюраселов» – «сухие» батареи, где в качестве реакционной среды (электролита) используются пасты и порошки, а не растворы кислоты или соли.

Просто химия
Несмотря на кажущееся многообразие (размеры, форма, область применения и т.д.), принцип действия всех электрических батарей и аккумуляторов один и тот же.
Внутри них протекает некий химический процесс, в ходе которого выделяется не тепло, как это случается чаще всего, а электрический ток. Некоторые из подобных реакций, называемых электрохимическими, являются обратимыми.
В данном случае это значит, что вся система способна вернуться к первоначальному состоянию под действием внешнего напряжения. Именно благодаря этому свойству обратимых электрохимических реакций мы можем перезаряжать аккумуляторы и использовать их по новой.
В то же время в обычных батареях природа протекающих процессов такова, что не позволяет регенерировать отработанные компоненты, и «севшую» батарейку к жизни уже не вернуть.

Автомобили будущего
Несколько особняком в ряду электрохимических источников тока стоят так называемые топливные элементы (ячейки).
В отличие от батарей и аккумуляторов, химические вещества здесь подаются извне, и, соответственно, электроэнергия вырабатывается, лишь пока в систему поступает «топливо».
В качестве последнего используют чаще всего водород и кислород, взаимодействие которых между собой в присутствии катализатора и служит источником электричества.
Высокая теоретическая эффективность такого процесса (около 80%) и то обстоятельство, что вода является единственным побочным продуктом, притягивают многих исследователей, видящих в водороде топливо будущего.
Так, в рамках объявленной в 2003 году президентом США Джорджем Бушем «водородной инициативы», Соединенные Штаты готовы потратить 1,2 млрд. долларов, чтобы к 2020 году создать в стране необходимые инфраструктуру и технологии, делающие автомобили на водороде реальностью.
На сегодняшний день американскими учеными и инженерами пройдена примерно половина пути: им осталось вдвое снизить стоимость производства топливных ячеек (до $30 за 1 кВт) и добиться увеличения срока их службы до 5 тысяч часов (соответствует 240 тысячам км пробега).

От смартфонов до самолетов
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, появившиеся на рынке в начале 1990-х благодаря японской компании «Сони», сегодня широко используются в самых различных электронных устройствах – от смартфонов и ноутбуков до складских автопогрузчиков и марсохода «Кьюриосити».
Малый вес, высокая удельная энергоемкость, медленный саморазряд (3-5% в месяц) и отсутствие каких-либо особых требований к обслуживанию выгодно отличают данный тип аккумуляторов от других представленных на рынке подобных устройств (сернокислотные, никель-кадмиевые и др.).
Воспламенения литий-ионных батарей – вроде тех, что случились, например, на борту новейших пассажирских авиалайнеров «Боинг-787» в начале этого года, по мнению специалистов, скорее результат невероятного стечения обстоятельств, а никак не следствие каких-либо «врожденных пороков» данных устройств.
По существующим оценкам, подобные происшествия случаются с одной из каждых 10 млн. Li-ion батарей при том, что в 2012 году во всем мире их было выпущено порядка 4 миллиардов.

Надежды на нанотехнологии
Как следует из названия, в основе работы Li-ion батарей лежит миграция атомов лития (в виде катионов – положительно заряженных частиц) от анода (отрицательный электрод, обычно графит) к катоду (положительный электрод, смешанные оксиды металлов).
Движение ионов лития происходит в среде электролита – органической воспламеняющейся жидкости, возгорание которой и приводит к повреждению батарей.
Использование негорючих электролитов лишь одно из многих возможных решений данной проблемы, о которой знают и над полным устранением которой работают ученые и инженеры.
С другой стороны, основные характеристики (емкость, срок жизни, количество циклов перезарядки и т.д.) литий-ионных батарей сильно зависят от природы материалов, используемых для производства анодного и катодного электродов.
В настоящее время большинство коммерческих литиевых аккумуляторов применяют графит как анод и литий-кобальтовые/литий-феррофосфатные соединения в качестве катода.
В то же время, в надежде улучшить рабочие параметры батарей, ученые и инженеры находятся в постоянном поиске новых решений и перспективных материалов, возлагая особые надежды на достижения нанотехнологической науки.
Дело в том, что материал и катода, и анода в Li-ion батареях представляет собой (на микроуровне) своего рода пористую «губку», в которой способны накапливаться и храниться литиевые катионы (чем больше, тем лучше).
В этом смысле наноматериалы – чрезвычайно мелкодисперсные вещества – являются практически идеальными кандидатами по причине их высокой площади поверхности.
Опубликованные исследования, например, ученых из Массачусетского технологического института (США) говорят об увеличении в 5-10 раз емкости литий-ионных батарей при одновременном уменьшении вдвое стоимости и впятеро времени зарядки, когда вместо традиционного графита в качестве анода используется наноструктурированный кремний.

Хотели как лучше
Российские достижения в сфере разработки и производства Li-ion источников питания пока что довольно скромны. Так, по сообщениям прессы, открытый в декабре 2011 года завод «Лиотех» (Новосибирская область) по производству высокоемкостных литий-ионных батарей для автотранспорта переживает ныне трудные времена.
По планам этот завод, созданный на паритетных началах госкорпорацией «Роснано», вложившей 7,6 млрд. рублей, и одним из крупнейших китайских производителей аккумуляторов компанией «Тандер Скай», должен был стать крупнейшим в мире с объемом производства примерно 1 млн. батарей в год.
Однако на сегодняшний день ни один из заявленных показателей не достигнут, рабочим задерживают зарплаты, а сам «Лиотех» вынужден брать кредиты на поддержание своей деятельности.
Рассорившись с китайскими партнерами, ОАО «Роснано» в сентябре 2012 года выкупило их долю, став единоличным владельцем некогда совместного предприятия. Вместе с тем эксперты сомневаются в жизнеспособности данного проекта в его нынешнем виде. Дело в том, что все – от исходных материалов и оборудования до инженеров-наладчиков и технологических решений – было предоставлено китайской стороной.

Александр ЛЕОНТЬЕВ