Химик из МГУ рассказал о своих работах, претендующих на очередную Нобелевскую премию

Литий-ионные аккумуляторы завоёвывают мир, а их разработчики получили заслуженную Нобелевскую премию, на которую в будущем вполне может претендовать химик из МГУ, разрабатывающий натрий-ионные аккумуляторы.

Химик из МГУ рассказал о своих работах, претендующих на очередную Нобелевскую премию
Источник: nobelprize.org

Нобелевская премия по химии присуждена за разработки литий-ионных аккумуляторов, которые сейчас устанавливаются во все гаджеты. Заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ, член-корр. РАН, член ЕАН, д.х.н. Евгений Антипов в беседе с корреспондентом информационно-аналитического журнала «Слово и Дело» рассказал о перспективах различных автономных источников питания и своих работах, которые вполне смогут претендовать на очередную Нобелевскую премию.

История литий-ионных аккумуляторов

Сначала расскажем о сути того, за что присуждена очередная Нобелевская премия по химии, которую разделили американец Джон Гуденаф, британско-американский учёный Стэнли Уиттингем и химик из Японии Акира Ёсино. Первым предложил использовать литий в аккумуляторах Стэнли Уиттингем, но его аккумуляторы имели ряд серьёзных недостатков.

Во-первых, использование в качестве одного из электродов металлического лития — крайне химически активного металла. Во-вторых, по мере увеличения числа циклов «заряд-разряд» на литиевом электроде вырастали иглы, которые достигали до другого электрода, вызывая короткое замыкание. Поскольку использовавший в аккумуляторах Уиттингема растворитель был огнеопасным, то короткое замыкание в нём вызывало пожар. В-третьих, эти аккумуляторы выдавали маленький ток, что ограничивало их использование маломощными устройствами.

Химик из МГУ рассказал о своих работах, претендующих на очередную Нобелевскую премию

Источник фото: wikipedia.org - Tomasz Sienicki/CC BY 2.5 pl

Джон Гуденаф предложил вместо титана использовать в качестве второго электрода оксид кобальта. Это избавило аккумулятор от опасности короткого замыкания, но ряд недостатков остались неустранёнными. В число достижений Гуденафа можно записать его возраст. Ему 97 лет, что делает учёного самым старым среди всех лауреатов Нобелевской премии за её историю.

К современному виду литий-ионный аккумулятор привёл японский химик Акиро Ёсино, который придумал, как вообще избавиться от металлического литиевого электрода. В его конструкции ионы лития при разрядке мигрируют с литий-кобальтоксидного катода к графитному аноду. Особенность литий-ионных аккумуляторов в том, что в нём в отличие от обычных химических источников тока не происходит химических реакций.

Альтернатива литий-ионных аккумуляторов

При всех преимуществах этих аккумуляторов у них, конечно, находятся и недостатки. В первую очередь это касается самого лития, легко извлекаемых запасов которого не так уж и много. Об этом как раз и рассказал Евгений Антипов, который занимается разработкой натрий-ионных аккумуляторов, о которых он также рассказал.

«Во-первых, таких аккумуляторов просто нет на рынке, но по всему миру уже разные стартапы, которые ими занимаются. Во-вторых, натрия гораздо больше в мире, чем лития. Стоимость сырья, например карбоната натрия в тысячу раз меньше, чем карбоната лития. В третьих, натрий в отличие от лития не образовывает сплавы с алюминием, а потому в качестве токоподводов можно использовать алюминиевую фольгу, а не медную. Это тоже существенно удешевляет стоимость аккумулятора. В-четвёртых, в некоторых структурах скорость переноса ионов натрия оказывается больше, а это означает, что натрий-ионные аккумуляторы могут обладать большими мощностями, чем литий-ионные», - разъяснил химик.

Евгений Антипов также рассказал о проблемах, с которыми сталкиваются разработчики натрий-ионных аккумуляторов. Главная и фундаментальная проблема: ион натрия в три с небольшим раза тяжелее лития, а это значит, что удельная энергоёмкость, т.е. количество запасаемой энергии на единицу массы у натрий-ионных аккумуляторов при прочих равных условиях меньше, чем у литий-ионных.

Другая фундаментальная проблема, которая может быть решена, связана с тем, что радиус иона натрия в 1,4 раза выше радиуса иона лития, что не позволяет использовать в натрий-ионных аккумуляторах графит для анодов – ионы натрия не смогут встроиться между кристаллическими узлами решётки. Те же материалы, которые разработчики и стартаперы пытаются использовать, по словам Евгения Антипова, по ряду характеристик уступают графиту.

Вместе с тем, Евгений Викторович отметил, что с учётом того, что по всему миру на разработку натрий-ионных аккумуляторов выделяются серьёзные деньги и государства, и частный бизнес, можно ожидать, что эти источники тока будут доведены до коммерческого предложения. Он также понадеялся, что и наша страна не станет отставать за прогрессом.

Когда свинцово-кислотные аккумуляторы останутся только в музеях

Любопытно, что никто не сбрасывает со счетов обычные свинцово-кислотные аккумуляторы, несмотря на их ядовитость и значительно меньшую удельную энергоёмкость — 40 Вт/кг против 250 Вт/кг у литий-ионных аккумуляторов. Евгений Антипов  разъяснил этот парадокс:

«Это работоспособная технология, которая известна уже более 150 лет. Разумеется, эти аккумуляторы постоянно улучшались, и они исправно работают, например, в вашем автомобиле. Рынок их в мире сейчас на самом деле больше, чем литий-ионных аккумуляторов: 40 миллиардов долларов против 20 миллиардов. Этим путём долго шёл мир, но сейчас встал вопрос, поэтому со временем они будут уходить в прошлое».

Химик из МГУ рассказал о своих работах, претендующих на очередную Нобелевскую премию

Учёный напомнил, что любая технология, какой бы хорошей она ни казалась, рано или поздно отдаёт лидерство новинкам. Можно вспомнить обычные магнитофоны, которые были очень популярны, а теперь превращаются в раритеты. Со свинцово-кислотными аккумуляторами, считает Евгений Викторович, случится тоже самое, и мы их со временем сможем увидеть только в музеях.

Суперконденсаторы и топливные элементы

Говоря о литий-ионных аккумуляторах, который сделали наш мир беспроводным, трудно не вспомнить и о других автономных источниках питания: суперконденсаторах и топливных элементах. Собеседник «Слова и Дела» поделился своими знаниями о развитии дел в этих направлениях.

«Суперконденсаторы давно известны и давно используются, но у них есть серьёзный недостаток – низкая плотность энергии, т.е. количество энергии, которое они могут запасать на единицу массы, они очень сильно уступают аккумуляторам. У них зато отличные мощностные характеристики. Когда вам нужно выдать много энергии за короткий промежуток энергии, суперконденсаторы её обеспечат. Если же вам нужно долго куда-то ехать, например, на автомобиле, то тут суперконденсатор проигрывают аккумулятор. Попытки сделать гибриды пока не приносят серьёзных результатов», - рассказал Евгений Антипов.

Химик из МГУ рассказал о своих работах, претендующих на очередную Нобелевскую премию

Источник фото: wikipedia.org

Последней темой разговора стали топливные элементы. Электрохимик из МГУ объяснил, что это совершенно другой принцип получения энергии. Аккумуляторы – это замкнутые системы, которые где-то извне запасают энергию, а потом её отдают. Топливные элементы производят электричество сами с использованием топлива. Главной проблемой этих источников электричества, по словам учёного, является дороговизна, поскольку в работоспособных элементах используется платина. Евгений Антипов напомнил, что некоторые автомобильные компании, которые раньше делали ставку на топливные элементы, сейчас переходят на аккумуляторы.

Заключение

С тех пор, как человечество приручило огонь, проблема источников энергетических ресурсов и сохранения её стала постоянным спутником цивилизации. Литий-ионные аккумуляторы, разработчики которых получили вчера заслуженную Нобелевскую премию, стали ещё одним вкладом в решении этой проблемы.

Новости партнеров