Нобелевскую премию за литий-ионный аккумулятор! Где мы были и куда идем?

27 червня 2020

Раньше писали, что тот, кто владеет информацией, тот владеет миром. Теперь к этому утверждению надо добавить следующую сентенцию: тот, кто владеет энергией, тот владеет миром. И неизвестно, какую из этих истина поставить первой. Скорее всего, они равнозначны. Мы уже сейчас видим, какие страсти разгораются из-за права владения энергоресурсами. А дальше борьба будет еще жестче, тем более за энергию, которая запасена самой природой. Торф, уголь, нефть, газ – это все готовые источники энергии. Бери и пользуйся. Более того, что такое пища, как ни консервы энергии? В теле человека она превращается в биотоки, которые дают нам возможность двигаться и производить работу.

История электрических батарей
Запасать энергию люди мечтали давно. Идею электрической батареи впервые выдвинул Майкл Фарадей. Между прочим, он же первый попытался использовать твердотельный электролит еще в 1853 году. Но, ни возможности, ни необходимости в таком изобретении в то время не было, и догадка гения осталась ждать своего времени целых полтора столетия.

Свинцово-кислотные батареи
Практическое применение сначала нашли свинцово-кислотные батареи. Схематично они работают так: в раствор серной кислоты помещаются две пластины. Одна из чистого свинца. Другая – из двуокиси свинца. Они разделены пористой решеткой, так называемым сепаратором для предотвращения разряда между пластинами. Два вещества взаимодействуют друг с другом, возникает электрохимическая реакция.
Если два электрода соединить, то по проводнику пойдет электрический ток. В процессе зарядки- разрядки на катоде и аноде образуется продукт реакции сернокислый свинец. Это нерастворимое вещество, которое со временем замедляет химический процесс и тем самым снижает кпд батареи. Кроме того, при бурной реакции происходит выпучивание пластин, что ведет к выходу из строя всей батареи.


Щелочные батареи
Различают кадмиево- никелевые и железо-никелевые батареи. Есть еще серебряно-цинковые, но они используются редко из-за дороговизны. Электролитом в таких батареях служит щелочь – раствор едкого калия в дистиллированной воде. Рабочие вещества: гидроокись никеля и чистый губчатый кадмий. Принцип работы такой же, как и описанный выше.
Различие и преимущество щелочных батарей заключается в том, что конечные вещества реакции не кристаллизуются на пластинах и не загрязняют их. Таким образом, увеличивается кпд батареи, продлевается срок ее работы.
В железо-никелевых батареях работают железо и гидрат окиси никеля. Электролитом служит гидроокись натрия с добавлением гидроокиси лития.


Литий-ионные батареи
Литий имеет самый большой электрохимический потенциал. Понятно, что изобретатели хотели его использовать в аккумуляторных батареях. Но металлический литий повел себя плохо в качестве катодного материала. Он был взрывоопасен, пожароопасен, склонен к образованию дендритов – веществ, препятствующих нормальной работе катодных пластин. Чистый литий пришлось заменить на кобальтат лития. Кроме отсутствия дендритов, применение кобальта снижало температуру батареи, увеличивало срок службы изделия.
Принципиальная схема работы таких аккумуляторов осталась прежней, за исключением того, что вместо потока электронов создавалось движение ионов лития. Была также внедрена система защиты и контроля процесса зарядки-разрядки и некоторые другие новшества.
Работа над улучшением катодного материала привела к созданию сложных многокомпонентных комплексов, где каждый компонент улучшает какую-то из характеристик аккумулятора.
В настоящее время существует 6 основных разновидностей литий-ионных батарей:
1. литий-титатнатная;
2. литий-никель-кобальт -алюминий-оксидная;
3. литий-никель-марганец-кобальт-оксидная;
4. литий-железо-фосфатная;
5. литий- марганцевая;
6. литий-кобальтовая.
В зависимости от того, какая из технических характеристик наиболее важна для потребителя, он выбирает тип аккумулятора. Это может быть срок службы, быстрота зарядки, силовая мощность и так далее.
В настоящее время литий-ионные батарейки являются основными источниками питания для мобильных телефонов, ноутбуков, видеокамер и других микроприборов. В других отраслях ситуация несколько сложнее.
О важности для мировой экономики таких разработок говорит тот факт, что за разработку литий-ионных батарей трем ученым была вручена Нобелевская премия за прошлый год.


Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы по всем показателям превосходят все предыдущие модели, и у них есть ряд существенных недостатков: относительная дороговизна, взрывоопасность при нарушении герметичности, ухудшение работы при высоких или низких температурах, зависимость срока службы от времени, а не от циклов зарядки-разрядки.
Поэтому работа над совершенствованием аккумуляторов энергии продолжается. Исследования идут по всей триаде: анод, катод, электролит.
В качестве анодного материала поочередно использовали металлургический
кокс, сажу, графит. В настоящее время на смену последнему приходит графен.
Все, что можно сказать о нем, это то, что он является двумерным кристаллом, и получают его механическим расщеплением кристаллов графита. А далее смысл уходит в такие тонкости квантовой физики, которые обычному уму не под силу одолеть. Применение графена способно, например, минимум в 5 раз увеличить скорость зарядки аккумулятора любой емкости.
Также ищутся меры повышения катодной активности. В этой области все лаборатории заняты поиском новых композиций металлов и полимеров.
И, наконец, вместо жидкого электролита предполагается использовать твердотельный. Использование графенового анода, композитных катодных материалов и твердотельного электролита позволит в сотни раз увеличить возможности аккумуляторных батарей. Причем нужны, как миниатюрные батарейки, так и мощные тяговые аккумуляторы, способные поднять в воздух грузовые самолеты.
В каких областях ожидают более совершенные электрические батареи
Использование графенового анода, композитных катодных материалов и твердотельного электролита позволит в сотни раз увеличить возможности аккумуляторных батарей.
Причем нужны, как миниатюрные батарейки, так и мощные тяговые аккумуляторы, способные поднять в воздух грузовые самолеты. В первую очередь, более совершенные электрические батареи нетерпеливо ждут в следующих областях человеческой деятельности:
Искусственное сердце.
Компьютерная техника.
Микроэлектроника.
Электромобили, в том числе грузовые.
Складской электротранспорт.
Робототехника.
Дроны, вертолеты, самолеты.
Бытовая техника.
Космическая техника, в том числе, будущие лунные станции, станции на Марсе и на других планетах.
Как видим, впереди огромный фронт работ в этом направлении, и это воодушевляет!