Стратегический энергозапас

Получение энергии с помощью солнечных батарей или ветряных станций имеет большие перспективы. Однако эта энергия используется не сразу, а значит, требует объемных хранилищ. Российские ученые нашли способ сделать аккумуляторы для хранения такой энергии более емкими, не увеличивая их в размере.

(Science, N 34 от 31.08.2017)

Электрод — это электрический проводник, имеющий электронную проводимость (проводник первого рода) и находящийся в контакте с ионным проводником — электролитом (ионной жидкостью, ионизированным газом, твердым электролитом). Литий — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, тверже натрия, но мягче свинца. Является химическим элементом I группы периодической системы Менделеева. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой. Литий используется в металлургической, силикатной промышленности, а также в пищевой отрасли (для консервирования), текстильной (отбеливание и окраска в зависимости от применяемого соединения) и фармацевтической в качестве компонента косметических средств. В жидком состоянии применяется в качестве теплоносителя для ядерных реакторов. Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора. Широко распространен в современной бытовой электронной технике (сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры) и находит свое применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Возобновляемая, или регенеративная, энергия ("зеленая" энергия) — энергия из источников, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов, таких как солнечный свет, водные потоки, ветер.

Работа по созданию нового поколения литий-металлических аккумуляторов и аккумуляторов сверхвысокой емкости, которые при этом будут легче и компактнее существующих, ведется в мире постоянно.

Аккумуляторными системами занимаются несколько лабораторий химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Одна из групп исследователей ведет разработки в области альтернативной энергетики, в том числе изучает возможности создания накопителей для электрических сетей, а также обеспечения равномерной нагрузки на них. Это необходимо при использовании ветрогенераторов и солнечных панелей. Такую энергию потребляют не в момент, когда она генерируется, а позже. Сейчас для накопления энергии часто используют тяжелые свинцовые аккумуляторы. Переход на более легкое оборудование расширит возможности получения энергии из альтернативных источников.

Старший научный сотрудник химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, ассистент факультета наук о материалах, к. х. н. Даниил Иткис напомнил, что аккумуляторы с использованием металлического лития были разработаны еще в 1970-х годах и даже выпускались в продажу. Но уже тогда при их работе возникла проблема. Когда такой аккумулятор заряжали, литий, который исходно туда помещали в форме металлической фольги, не оседал обратно гладким слоем на этой же фольге. Он образовывал игольчатые кристаллы, которые иногда прорастали до другого электрода, что приводило к короткому замыканию, и аккумуляторы загорались.

"Мы периодически слышим о проблемах с воспламенением литий-ионных аккумуляторов, но не все они вызваны неровным оседанием металла,— рассказал ученый.— Хотя заметная часть таких случаев обусловлена именно этим. Иногда литий "не успевает" внедряться в графит — например, если мы заряжаем аккумулятор слишком большим током. Одно из направлений нашей работы — исследовать процесс оседания лития. Мы пытаемся найти решение, которое позволит заставить его оседать гладко, чтобы решить проблему безопасности. Если она будет решена, все с удовольствием начнут использовать металлический литий вместо графита".

Сегодня для ученых в первую очередь представляет интерес задача по увеличению удельной энергии, которую можно запасти в килограмме/литре аккумулятора. Лучшие показатели для самых продвинутых литий-ионных аккумуляторов — 240-250 Вт/ч на килограмм. Это те, что уже продаются и серийно производятся. Подобные аккумуляторы, например, стоят в лучших по характеристикам электромобилях — на одном заряде они проезжают 300-400 км. Первые машины на электротяге не могли проехать больше 100 км без подзарядки, да и то в облегченном режиме, без резких ускорений и в теплом климате.

Если говорить об электронике, то в большинстве смартфонов при включенном навигаторе или тяжелых приложениях очень высоко энергопотребление. Для подзарядки часто используют дополнительный аккумулятор, но хочется, чтобы запас энергии был больше при тех же размере и весе. С автомобилями то же самое. Электромобиль Tesla Model S весит больше 2 тонн, а батарея в нем — около 540 кг. Параметры батареи — 210х150х15 см. Отрицательный электрод в нем графитовый, а положительный — смешанный слоистый оксид никеля, кобальта и алюминия. Количество энергии, вырабатываемой одним блоком (а их 16), равно количеству энергии, производимому сотней аккумуляторов портативных компьютеров.

Без создания легких источников электроэнергии не может развиваться не только автомобиле-, но и самолетостроение, в том числе и военное. Летательные аппараты (и беспилотные, и малые пилотируемые, например, электромоторные самолеты), по расчетам инженеров, могли бы летать на электротяге. Основное требование — снижение массы устройства при сохранении энергозапаса.