Архив   Авторы  
Джон Маккейн (на фото в центре) в автомобильной столице США, Детройте, ищет перспективные разработки

Аккумулятор Маккейна
Общество и наукаТехнология

Кандидат в президенты США от республиканцев объявил награду в 300 миллионов долларов за изобретение автомобильного аккумулятора нового поколения. Российские ученые вполне могут на нее претендовать




 

Недавно Джон Маккейн пообещал в случае своей победы на выборах выплатить награду в размере 300 миллионов долларов тому, кто создаст аккумулятор нового поколения. Конечно, победит ли он в президентской гонке, большой вопрос. Однако вектор предвыборных баталий выбран верный. Цена на нефть растет по экспоненте и останавливаться не собирается. Так что на деньги Маккейна или кого-то другого, но над новыми автомобильными аккумуляторами для альтернативных видов транспорта сейчас уже работают во всех странах. В том числе и в России...

Аккумуляторы - на тонны

Специалистам вполне понятен путь, по которому следует пойти. «Мощность приличного автомобиля составляет примерно 100 лошадиных сил, - говорит доктор химических наук Александр Скундин из Института физической химии и электрохимии им. А. Н.Фрумкина РАН. - Силовой агрегат электромобиля можно ограничить для ровного счета 10 киловаттами. Запас хода у него должен составлять хотя бы 10 часов. Значит, ему потребуется аккумулятор емкостью 100 киловатт-часов. Дальнейший расчет прост. Удельная емкость свинцового аккумулятора составляет в лучшем случае 30 ватт-часов на килограмм веса. То есть для электромобиля нужен аккумулятор весом... 3 (!) тонны. У литий-ионного образца характеристика получше - 100-200 ватт-часов на килограмм. Это могло бы сократить вес источника энергии до полутонны, но все равно никто пока не делает таких больших литий-ионных аккумуляторов. Все ограничивается маленькими источниками тока для мобильных устройств».

Так происходит не случайно. Во-первых, мощную батарею нужно составить из нескольких сотен аккумуляторов, а хорошо известно - чем больше элементов в системе, тем менее она надежна. Когда один из аккумуляторов начинает работать плохо, резко ухудшаются параметры всей батареи. Во-вторых, литий-ионный аккумулятор нельзя перегревать выше 60 градусов, а при 100 градусах он может взорваться. Поэтому возникает нетривиальная задача охлаждения батареи. Как обеспечить надежность и отвести тепло, непонятно. При этом, как считают ученые, ничего лучше, чем аккумулятор с использованием ионов лития, пока придумать нельзя. «На вещество, которое запасает электричество, наложены особые условия: оно должно быть сильным восстановителем при использовании в отрицательном электроде и не менее сильным окислителем при использовании в положительном электроде, а также обладать небольшим молекулярным весом, - рассказывает Александр Скундин. - Казалось бы, таким условиям для отрицательного электрода удовлетворяет первый элемент таблицы Менделеева - водород, но это вещество газообразно. Поэтому выбор падает на литий, третий элемент таблицы, вещество, которое существует в твердом состоянии».

Дума о катоде

В основе современного литий-ионного аккумулятора лежит полимерная пленка, на одну сторону которой нанесен отрицательный электрод из углерода, а на другую - положительный электрод из оксида какого-нибудь металла. Эту пленку скатывают в рулон, заключают в герметичную оболочку - и так получается аккумулятор, а из нескольких - батарея. В полимере могут быть поры, в которые заливается жидкий электролит, а может быть и так, что сам полимер способен пропускать сквозь себя ионы лития. При заряде они переносятся из положительного электрода в отрицательный, а при разряде идут в обратном направлении.

Материаловеду тот факт, что литий входит внутрь материала электрода, ни о чем хорошем не говорит: это приводит к возникновению механических напряжений, в результате чего электрод неизбежно разрушается. Чем крупнее и неоднороднее частицы порошка, слагающего электрод, тем меньшее число циклов «заряд-разряд» нужно, чтобы его разрушить. Различия в свойствах порошка, которые случаются от партии к партии, как раз и приводят к тому, что одни аккумуляторы выходят из строя значительно быстрее других. «Мы изучали под микроскопом строение электродов в различных аккумуляторах. Японские образцы поражают своей однородностью, - рассказывает Александр Скундин. - Отечественные смотрятся на их фоне не самым лучшим образом».

Совершенствовать электроды можно разными способами. Один из путей - сделать электрод опять же из углерода, но преобразовав его в иную форму. Например, ученый Моринобу Эндо из Университета Шиншу в Нагано создал первое в мире производство нанотрубок, вышедшее на уровень даже не килограммов, а нескольких тонн в год, и большая часть продукции идет именно на изготовление электродов для аккумуляторов. В результате срок их службы, то есть число циклов «заряд-разряд», возрастает в десятки раз.

Другой путь - сделать электроды из какого-то другого вещества. Выбор невелик. В числе наиболее перспективных - серно-литиевые и воздушно-литиевые аккумуляторы. На серно-литиевых американцам уже удалось достичь емкости 300-350 ватт-часов на килограмм веса, а в перспективе будет 500-600. У воздушно-литиевых, где один электрод состоит из металлического лития, а роль второго выполняет ионизированный воздух, есть возможность достичь и 1000 ватт-часов на килограмм. Такой аккумулятор совершит революцию: вес батареи снизится до разумных 100 килограммов.

Кремний-альтернативщик

Одна из серьезных проблем, связанных с использованием лития, - его чрезвычайно бурная реакция с водой. В результате аккумулятор с металлическим литием представляет немалую опасность: взрыв его, если он будет весить полсотни килограммов, способен привести к серьезным последствиям. А где такая опасность, там автоматически возникают сложные технические регламенты, выполнение которых обходится дорого. Поэтому вряд ли аккумулятор с анодом из металлического лития найдет широкое применение. В качестве альтернативы может служить кремний: он способен накапливать литий больше, чем любое другое вещество, в 10 раз больше, чем углерод. Кремний образует с литием химическое соединение - интерметаллид. Правда, есть одно но... В этом материале возникают большие механические напряжения. В результате кремниевый анод быстро растрескивается. «Преодолеть это непросто. Мы пытаемся применить тонкие пленки аморфного кремния, который лучше кристаллического гасит механические напряжения, - рассказывает Александр Скундин. - Или используем другой вариант - составляем нанокристаллические композиты из кремния и углерода, в которых последний служит некоторым демпфером. Он предотвращает разрушение электрода даже при изменении объема кремниевого компонента».

Кремний, десятикратно увеличивая емкость аккумулятора, позволяет либо в десять раз уменьшить его вес, либо в десять раз сократить время заряда. Однако к столь емкому аноду нужен не менее емкий катод. А вот с этим трудности. «Лучшие катоды из оксидов металла позволяют увеличить емкость аккумулятора примерно в два раза. Есть идеи сделать катоды из серы, но тогда возникает очень сложная проблема - образование полисульфидов, из-за чего число циклов «заряд-разряд» таких аккумуляторов невелико. В общем, ученому, который захочет получить обещанные Маккейном деньги, нужно придумать технологию изготовления кремниевого анода и подобрать материал катода», - считает Александр Скундин.

Кошмар энергетика

Помимо большого веса слабое место аккумулятора - необходимость его заряда электричеством. Конечно, легко сказать: аккумулятор будет заряжаться всю ночь, благо в этот период потребителей немного и у электростанции имеется избыточная мощность. Однако идеальный вариант - быстрая зарядка. Сейчас литий-ионные аккумуляторы для мобильных устройств заряжаются около часа. Но их емкость невелика. Если предположить, что в электромобиль за тот же час закачивают необходимые ему 100 киловатт-часов энергии, причем на одной станции одновременно заряжаются десять автомобилей, к такой «заправке» нужно подвести мегаватт мощности. Это уже сравнимо с небольшой электростанцией. На закачку такой же энергии за шесть минут нужно подводить уже 10 мегаватт. Подобная система представляет собой подлинный кошмар для энергетиков: существующая система не способна время от времени выдавать мощность в мегаватты, а затем сбрасывать нагрузку.

А значит, скорее всего понадобится комбинированная установка, которая включает электродвигатель, аккумулятор и другой источник энергии. Самый дешевый - бензиновый двигатель, а если по каким-то причинам предполагается отказ от органического топлива, то солнечная батарея либо топливный элемент. Другой вариант - сменные одноразовые химические батареи. Их удельная емкость в несколько раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Если наладить систему сбора и переработки батарей, такое решение окажется совсем не плохим.

Алюминиевое решение

«Наша работа вполне может претендовать на те деньги, о которых говорит Маккейн, хотя и нельзя сказать, что это очень большая сумма, - рассказал Борис Клейменов из Объединенного института высоких температур РАН. - Мы считаем, что основой успеха послужит не аккумулятор, а энергетическая установка, которая состоит из аккумулятора и химического генератора. Это оптимальная схема. Химический генератор дает основную часть энергии и для двигателя, и для заряда аккумулятора, который служит для того, чтобы покрывать пиковые нагрузки, например, при трогании с места. Не исключено, что в схеме будет присутствовать и суперконденсатор. В отличие от аккумулятора он разряжается чрезвычайно быстро, но дает высокую мощность - то, что нужно для быстрого разгона. Правда, и весит немало. Мы сделали образец такой машины. В нем установлены созданный нами алюминиево-воздушный генератор, который дает электричество за счет превращения алюминия в оксид, и обычные свинцовые аккумуляторы. Конечно, литий-ионные позволили бы нам сэкономить немало веса и места, но в России никто не делает большие батареи из них. Была идея взять никель-кадмиевые аккумуляторы, которые используют авиаторы, но они оказались очень дороги. Сейчас у нашей системы удельная энергоемкость составляет 140 ватт в час на килограмм. Это совсем не плохо, хотя с литиевым аккумулятором получилось бы 200-300 ватт в час».

Заправка такой машины действительно будет занимать ничуть не больше времени, чем бензинового автомобиля: техник устанавливает заряженный генератор, а разряженный промывает, заполняет свежим алюминием и отправляет отходы на перерабатывающую фабрику, к которой, как и положено, подведены мегаватты электроэнергии, необходимые для получения алюминия методом электролиза. В результате никакого кошмара для энергетиков не возникает. Расчет показывает, что при нынешних ценах на алюминий стоимость ста километров пути в городе на таком электромобиле составит 500 рублей. Пока это дороговато, но в перспективе алюминиевое решение может оказаться экономически выгодным. Так что претенденты на деньги Маккейна в России найдутся. Дело за малым - пусть сначала выиграет президентскую гонку.

Добавить в:  Memori  |  BobrDobr  |  Mister Wong  |  MoeMesto  |  Del.Icio.Us  |  Google Bookmarks  |  News2.ru  |  NewsLand.ru

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования NOMOBILE.RU Семь Дней НТВ+ НТВ НТВ-Кино City-FM

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера