НАУКА И ТЕХНИКА 24 октября 2023, 10:00

Из заряда вон: инновационные батареи будут работать в семь раз дольше обычных

Как новая разработка ускорит заправку электрокаров и приблизит создание электросамолетов Денис Гриценко

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Анна Селина

https://iz.ru/tag/tekhnologii

Российские ученые создают промышленную технологию производства электрических аккумуляторов, основанную на использовании пористой углеродной ткани. Благодаря ей новые источники тока будут сохранять до семи раз больше энергии. Мобильный телефон с такой батареей можно будет заряжать всего раз в неделю. А служить она будет в 5–10 раз дольше. Практическое применение разработки даст возможность быстро заменять разряженные элементы питания электрокаров на заряженные и даже создать электрический самолет. По мнению экспертов, идея может оказаться перспективной, однако заявленное создателями увеличение энергоемкости выглядит слишком фантастическим на сегодняшний день.

Поверхностный взгляд

Специалисты Московского авиационного института разрабатывают промышленную технологию производства электрических аккумуляторов нового типа. Благодаря применению инновационных материалов такие батареи будут работать до семи раз дольше, чем те, которые используются сегодня. То есть, например, мобильный телефон будет достаточно заряжать раз в неделю. При этом элементы питания смогут выдерживать от 5 тыс. до 10 тыс. циклов зарядки-разрядки, что в 5–10 раз больше обычных батарей. Массовый выпуск ноу-хау планируют начать в 2028–2029 годах.

— В наших аккумуляторах более низкая токовая нагрузка, чем в обычных, поэтому они выдерживают намного больше циклов зарядки-разрядки. Сейчас удельная энергоемкость стандартной батареи 220–260 Втч/кг. На первом этапе мы сможем повысить ее в 1,5–2 раза. А при дальнейшем усовершенствовании технологии мы добьемся 1000–1500 Втч/кг, то есть при той же массе элементы питания будут работать в пять-семь раз дольше, — сказал руководитель проекта, заведующий кафедрой № 1204 «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии» МАИ Владимир Слепцов.

Фото: РИА Новости/Владимир Федоренко

Основные составляющие любого аккумулятора — это положительно заряженный электрод — катод, и отрицательно заряженный — анод. Чаще всего их делают из цинка и диоксида марганца. Такие детали обладают гладкой поверхностью, поэтому на них можно нанести очень ограниченное количество материала, непосредственно запасающего электроэнергию. Обычно в этом качестве используют литий.

Ученые МАИ предлагают сделать основой катода и анода специальный материал из углерода — «Бусофит». Его выпускают в Белоруссии. За счет своей пористой структуры он обладает очень высокой удельной поверхностью — 1000–1200 кв. м на грамм. Поэтому на них можно разместить гораздо больше химически активных веществ и и элементов для накопления энергии — конденсаторов. Таким образом получается наноструктурированный электродный материал.

— Наша разработка основана на тонкопленочной нанотехнологии. Она предполагает совершенно новые материалы в основе электродов. Представьте углеродную матрицу с высокой удельной поверхностью, в которую помещаются химически активные и вспомогательные добавки. Благодаря этому удается добиться новых свойств электродных материалов, а именно более высокой удельной энергоемкости. В результате появляется возможность совершенствования конструкции аккумуляторов и технологии их изготовления с целью повышения рабочих характеристик и безопасности эксплуатации, — рассказал Владимир Слепцов.

Светлый в путь: ученые РФ приблизились к созданию фотонного компьютера

Из какого материала будут делать оптические вычислительные машины

Новая эра

Увеличение удельной энергоемкости позволит снизить вес аккумуляторов, что открывает новые возможности их использования. Например, стандартная батарея электромобиля сегодня весит несколько сотен килограммов. Если удастся значительно снизить этот показатель, то можно будет быстро вручную заменять разряженный элемент питания на новый, а не ждать, пока он напитается электричеством. Более легкие и надежные батареи также приблизят создание электросамолетов.

По мнению директора научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» УрФУ Ильи Вайнштейна, элементы питания из новых материалов могут оказаться очень перспективными.

Фото: РИА Новости/Алексей Майшев

— Использование в качестве основы нанопористого материала с высокой удельной поверхностью, такого как углеволокнистая ткань «Бусофит», имеет хорошие перспективы в разработке высокоэффективных накопителей энергии, — сказал Илья Вайнштейн.

Попытки увеличить удельную поверхность электродных материалов сейчас предпринимаются специалистами по всему миру, отметил руководитель лаборатории перспективной энергетики Института электродвижения МФТИ Дмитрий Гребцов. Иногда для этого используют различные углеродные материалы и наноструктуры, такие как выпуклые многогранники — фуллерены, нанотрубки и другие. Таким образом достигается показатель более 300 кв. м на грамм.

Без долгих проводов: ученые сделают из простой одежды компьютеры

Как текстильные устройства пригодятся в сферах транспорта, медицины и пожарной безопасности

— Однако заявленная цель — увеличить энергоемкость в семь раз по сравнению со стандартными батареями — сейчас звучит как нечто космическое, так как самые лучшие мировые исследования дают увеличение в два-три раза относительно коммерческих образцов. Сейчас таких материалов еще не существует. К тому же энергоемкость ячейки зависит от очень многих факторов, — сказал Дмитрий Гребцов.

По его словам, если благодаря одному изменению электродного материала удельная энергоемкость батарей увеличится в семь раз, то мы перейдем в новую эпоху накопителей энергии.