29 марта 2005 компания Toshiba взбудоражила индустрию электротехники, представив прототип новой литий-ионной аккумуляторной батареи (АБ). Обычные литий-ионные батареи заряжаются со скоростью 2-3% в минуту от общей мощности, а для их полной зарядки требуется час. Новый аккумулятор Toshiba создан с применением наноматериалов, в частности, из нанокристаллов титанита лития изготовлен отрицательный электрод, способный поглощать 80% от общей мощности батареи за минуту. Полная же емкость аккумулятора восстанавливается уже через 2-3 (!) минуты с момента начала зарядки.
Кроме высокой скорости перезарядки новые батареи обладают высокой плотностью заряда – представленный японцами опытный образец габаритами всего 3,8× 62×35 мм обеспечивал емкости 600 мА/ч.
Помимо отличных характеристик емкости и режима заряда новая батарея имеет увеличенный срок службы: после 1000 циклов заряда/разряда происходит потеря лишь 1% ее емкости, а общий ресурс новых батарей составляет более 5 тысяч циклов. Кроме того, батарея может работать при температурах до -40оC, теряя при этом лишь 20% заряда против 100% у типичных современных батарей уже при -25оC.
После трех лет подготовки производства – в марте этого года – компания Toshiba вывела на рынок литий-ионные наноаккумуляторы, получившие название SCiB (Super Charge ion Battery).
Зарядить за 120 секунд
Вопрос эффективного хранения электрической энергии актуален как для альтернативной, так и для традиционной энергетики. Запас энергии для сглаживания суточных и сезонных колебаний напряжения ветряных и солнечных электростанций, системы резервного энергопитания, источники энергии для питания удаленных потребителей, портативные источники тока – далеко не полный перечень применения аккумуляторных батарей.
Особое значение устройства хранения энергии имеют для перспективных видов транспорта. Водородные автомобили на топливных элементах, гибриды, электромобили – все они требуют высокоэффективных и безопасных аккумуляторных батарей.
В настоящее время для этих целей широко используются никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы. Они гораздо тяжелее современных литиевых, требуют частой перезарядки, обладают негативной «памятью зарядки», их срок службы ограничен.
Самыми передовыми сейчас считаются литий-ионные и литий-ион-полимерные АБ, которые, тем не менее, также обладают рядом недостатков, делающих их малоперспективными для использования в транспорте и стационарных приложениях. Главный их минус – современные аккумуляторы не могут работать «быстро». То есть быстро заряжаться и отдавать энергию, что, например, негативно сказывается на динамике водородных и электрических автомобилей, а также на удобстве их эксплуатации.
Нанотехнологии и наноматериалы уже в настоящее время позволяют значительно улучшить характеристики аккумуляторных батарей и конденсаторов, и что немаловажно – имеют существенный потенциал для их дальнейшего усовершенствования.
Приведенный в начале статьи пример разработки Toshiba не единичен. Другая японская компания Matsushita Battery Industrial Co., Ltd. (MBI) разработала и представила на форуме «Intel Developer Forum fall (IDF) 2005» прототип цилиндрической аккумуляторной Li-ion батарей с нанотехнологически обработанным катодом на основе никелевого оксида.
По сравнению с показанной ранее «призматической» батарейкой, цилиндрическая батарея имеет улучшенную объемную плотность энергии – до 620 Вт/л. Благодаря новым батареям непрерывный срок работы ноутбука может составлять до 13 часов.
Надежда автопрома
В США с 2007 года серийно продаются АБ, радикально улучшенные с помощью наноматериалов. Компания Phoenix Motorcars успешно завершила первичные испытания электрического пикапа с аккумуляторами NanoSafe производства компании Altairnano.
Литий-ионные аккумуляторы с электродами из наностуктурированных материалов (35 кВт.ч.) заряжаются за 10 минут. Дальность пробега автомобиля с такими аккумуляторами на 1 зарядке – 200 км. Более того, компания Altairnano уже разработала версию аккумуляторов 70 кВт.ч. что позволит увеличить пробег электромобиля до 400 (!) км, что практически сравнимо с бензиновыми машинами и в 3-4 раза превышает показатель современных электромобилей.
Обычные литий-ионные аккумуляторы не способны обеспечить достаточно большой ток разряда, и, кроме того, из-за теплового разрушения углеродного анода литий-ионные аккумуляторы выходят из строя после нескольких сотен циклов заряда-разряда.
В аккумуляторах Altairnano вместо углеродного используется анод из нанокристаллов титаната лития. Площадь его поверхности составляет около ста квадратных метров на грамм вещества, против трех квадратных метров у углерода.
За счет большой площади анода разработчикам удалось значительно увеличить допустимые токи заряда и разряда. К тому же титанат лития меньше подвержен тепловому старению, и новый аккумулятор выдерживает до двадцати тысяч циклов перезарядки.
Еще в конце октября 2006 года Altairnano завершила испытания своих аккумуляторов, в ходе которых они прошли цикл зарядка/разрядка 15000 раз. Теоретически 15000 циклов зарядки достаточно для 40 лет эксплуатации электромобиля. Специалисты Altairnano рассчитывают на 20 лет эксплуатации в реальных условиях.
Резкий скачок в эффективности литиевых аккумуляторов обещает произвести достижение нанотехнологов Стэндфордского университета. Здесь исследуют тонкие нитевидные кристаллы кремния, называемые в научной литературе вискерами («усиками» – от английского whiskers). Этот наноматериал способен десятикратно увеличить емкость аккумуляторных батарей.
Смысл новшества заключается в увеличении заряда, который может нести на себе положительно заряженный электрод батареи – анод.
По оценки экспертов из Масачуссетского технологического института, применение кремниевой нанотехнологии в производстве не только катодных, но и анодных материалов в будущем поможет избавиться от использования в батареях крайне неудобного металлического лития, а также снизить вес и объем батарей.
В Европе разрабатывают свою оригинальную технологию создания нанобатарей.
В 2005 году компании Europositron была присуждена престижная премия Frost & Sullivan – Технологическая Инновация Года в области технологии электрических батарей.
Europositron добилась успеха в разработке технологии алюминиевых перезаряжающихся батарей с использованием инновационной электрохимической нанотехнологии.
Запатентованная технология обеспечивает в двадцать раз более высокую электроемкость по сравнению с существующими батареями.
Исследования Europositron проводилось в направлении развития АБ с техническими параметрами, делающими их перспективными для использования в гибридных и электрических транспортных средствах.
Батареи Europositron могут изготавливаться с минимальными изменениями в существующих производственных процессах. Новые аккумуляторы обладают теоретической плотностью энергии 2 100 Вт/литр, выдерживают более 3000 циклов перезарядки, могут работать в температурном диапазоне от -40оС до +70 оС, при гарантийном сроке работы 10-30 лет, а для своего производства требуют использование свободно доступного алюминия. Компания уже получила несколько европатентов на новые АБ.
Новая технология Europositron может быть востребована в широком спектре техники – от батареек к портативным приборам, до массивных батарей резервного электропитания. Тем не менее, в первую очередь новые батареи Europositron найдут широкое применение в электрических автомобилях.
В нашей стране также ведутся работы в области совершенствования литиевых аккумуляторов с помощью наноматериалов. Специалисты Новосибирского института химии твердого тела и механохимии СО РАН разработали новый способ получения катодных материалов для литиевых аккумуляторов на основе различных наночастиц – LiMn2O4(3В), LiV3O8, Li3Fe2(PO4)3, LiMn2O4, LiCoO2.
Новая технология основана на использовании метода механохимической активации (дробление твердого вещества в центробежных барабанах в присутствии металлических шаров). Использование вещества в нанодисперсном состоянии позволяет не только более продуктивно работать с уже известными катодными материалами, но и создавать совершенно новые химические соединения (LiMeyMn2-yO4, где Me=Co, Cr, Ni, Fe), способные хранить большое количество энергии.
Большой интерес к разработкам новосибирских ученых проявляют известные зарубежные компании. В России разработки института не востребованы.
Конкурент водорода
Эти первые «наноцветочки» наглядно демонстрируют перспективы развития аккумуляторных батарей и жизнеспособность идеи о массовом электромобиле – запас хода и время зарядки уже приближаются к аналогичным показателям бензиновых автомобилей с ДВС. Большая масса и как следствие – вялая динамика электромобилей также исправляются перспективными батареями из наноматериалов. Часто скептики приводят такой аргумент, как высокая стоимость нового поколения АБ. Тем временем как способ снижения стоимости нового продукта или технологии вам подскажет любой экономист – эффект масштаба. Десяток крупных заводов в Юго-Восточной Азии с массовым производством позволит снизить себестоимость тех же самых нанобатарей до конкурентоспособного уровня.
А стоить заводы будут. Собственно уже строят. Про потребность в легких, энергоемких, компактных и дешевых аккумуляторных батарей в энергетике и многих других отраслях промышленности мы уже упоминали. А что касается транспорта, то полные гибриды и водородные автомобили на топливных элементах, по сути, представляют собой переходные формы электромобилей с запасом энергии, хранящейся на борту в виде водорода и бензина. Зачем «городить огород»: получать электроэнергию, например, на фотоэлектрической станции, затем разлагать воду на О2 и Н2 электролизом, заправлять водородом бак автомобиля, чтобы потом опять с помощью топливного элемента выработать ток для тягового электродвигателя??? Совершенствование аккумуляторов позволит эффективно хранить электрическую энергию в виде разницы потенциалов батарей, полностью отказавшись от использования в конструкции автомобиля ДВС и электрохимических генераторов – электромобиль в чистом виде! Да и инфраструктурной проблемы «заправки» электромобиля как таковой не существует! Поставить на каждой бензиновой АЗС специальную электрическую «розетку» - не потребует колоссальных затрат, чего не скажешь, например, о создании сети водородных заправок. Не говоря уже о возможности заряжаться дома от бытовой сети. В пользу адептов электромобилей играет и постоянное подорожание нефти – уже сейчас заправлять автомобили электричеством в 10 (!) раз дешевле, чем бензином.
По словам вице-председателя GM Боба Лутца «То, что начиналось, как проект топливных элементов, теперь перешло в проект электромобиля».
Ведущие американские, немецкие и японские автопроизводители – General Motors, Chrysler, Ford, Mercedes-Benz, Volkswagen, BMW, Toyota, Mitsubishi, Honda, Subaru, альянс Renault-Nissan – рассматривают именно электромобиль как наиболее перспективное направление дальнейшего развития автомобильной промышленности и лишь ожидают массового появления эффективных аккумуляторных технологий. Как показывает анализ – в этом направлении именно нанотехнологии скажут свое решающее слово.
Порою смешно слушать критиков нанотехнологий, утверждающих что «нано» – это очередной мыльный пузырь фондового рынка, мол, сколько лет идут восторженные разговоры, а результаты что-то незаметны.
Незаметное появление «вчера» новых наноматериалов для электродов в аккумуляторах позволяет «сегодня» создавать батареи с уникальными характеристиками, а «завтра» это кардинально изменит облик мирового автопрома. И это только один небольшой пример «эффекта бабочки» в нашей жизни, созданный нанотехнологией.
("Динамика у него - мама не горюй!")
)
)
