Чудеса на углероде

Как привлечь инвесторов
07.12.2019
Алексей Батырь

Представьте электромобиль, который после пятиминутной зарядки (примерно столько же времени занимает заправка бензином автомашины с ДВС) может проехать 500 км. Над технологиями, способными кардинально ускорить зарядку аккумуляторов, работает множество компаний. Если эта цель будет достигнута, электромобили станут намного привлекательнее для покупателей.

Инженеры компании ZapGo, офисы которой расположены в Оксфорде (Великобритания) и Шарлотте (США, штат Северная Каролина), утверждают, что нашли ключ к достижению этой цели. С 2013 года компания разрабатывает углеродно-ионную технологию, которая, по её заявлениям, позволит преодолеть ограничения как традиционных ионно-литиевых батарей, так и ионисторов (суперконденсаторов).

Легенда такова. Около пяти лет назад Стивен Воллер, основатель и руководитель ZapGo, наткнулся на работы учёных из Оксфордского университета, в которых рассматривалась принципиальная возможность построения АКБ нового типа, обладающих свойственным ионисторам преимуществом в скорости зарядки и возможностью длительно хранить энергию как у обычных батарей. С тех пор созданная Воллером компания разрабатывает углеродно-ионную технологию.

Большие барыши!

По убеждению руководителей ZapGo нынешние технологии производства АКБ могут быть кардинально улучшены, причём овчинка стоит выделки. Ионно-литиевые батареи получили широкое распространение во многих отраслях. Есть прогнозы, согласно которым рынок таких батарей к 2026 году достигнет 140 млрд долл. К этому времени нужно преодолеть ограничения - сравнительно низкую скорость зарядки и небольшое число зарядно-разрядных циклов. Неплохими показателями по данным критериям обладают давно выпускаемые ионисторы, но они, к сожалению, накапливают гораздо меньше энергии, чем ионно-литиевые элементы. Компания ZapGo утверждает, что её углеродно-ионная новинка, некий гибрид двух классических технологий, позволяет решить проблему.

По структуре углеродно-ионные элементы очень похожи на ионисторы. «В АКБ при зарядке и разрядке происходят электрохимические реакции, в результате которых материалы электродов подвергаются износу, - поясняет Воллер. - В ионисторе же идут ионно-электрические взаимодействия, напоминающие накопление статического электричества. Поэтому суперконденсаторы практически не изнашиваются».

По новому рецепту

Согласно компании, главное отличие углеродно-ионной технологии от обычных ионисторов и ионно-литиевых АКБ - используемые материалы. Вместо активированного углерода (графита) применяется наноуглерод, а вместо органических электролитов - ионные жидкости. Ловко жонглируя научными фразами, компания утверждает, что возможность построения прорывных углеродно-ионных элементов появилась благодаря последним достижениям в области получения наноструктурированного углерода и электролитов на основе ионных жидкостей.

Сейчас на рынке уже есть различные виды наноуглеродных материалов, состоящих из микросфер, волокон, плёнок и т. д. Сваливая в кучу совершенно разные вещи, изобретатели объясняют «чайникам», что по физическим и химическим свойствам наноструктурные углеродные материалы, такие как графен и одно- или многостенные углеродные нанотрубки, отлично подходят для хранения энергии, поскольку имеют большую площадь поверхности и уникальную наноструктуру.

Как показывают теоретические расчёты, предел удельной ёмкости графенового электрода равен 550 фарадам на грамм (Ф/г). По данным компании, в лабораторных условиях учёным, подбиравшим размеры пор наноуглерода под размеры ионов и оптимизировавшим состав ионной жидкости, удалось создать ионисторы с удельной емкостью 160 Ф/г. Они ухитрились разработать углеродно-ионные элементы, способные запасать в 5-6 раз больше энергии на килограмм массы, нежели современные ионисторы.

Часть прироста ёмкости объясняют применением в качестве электролитов ионных жидкостей, которые могут работать при более высоких напряжениях, чем распространённые сейчас органические электролиты. При повышении рабочего напряжения элемента автоматически увеличивается его энергетическая ёмкость. Ионные жидкости продемонстрировали устойчивость при напряжениях до 6 В - почти вдвое больших, чем у органических электролитов.

Инноваторы отважно борются с проблемами. Так, ионные жидкости с большим окном электрохимической стабильности обычно в несколько раз более вязкие, чем органические. Как следствие у них меньше ионная проводимость, больше внутреннее сопротивление и хуже характеристики по отдаваемой мощности. Построенные на них элементы и батареи не способны выдать большую мощность за короткий промежуток времени. Однако правильно сконструированные электроды помогают преодолеть эти проблемы.

Правильные доводы

Чтобы произвести впечатление на наивных инвесторов, компания сравнивает хаос с порядком. Сначала она показывает хаотическую структуру электродов ионистора (см. рис. 1). Дескать, иону, находящемуся на одном из электродов вблизи коллектора тока, при зарядке и разрядке приходится мигрировать через весь электрод и материал сепаратора, чтобы достичь другого электрода. Из-за значительной толщины углеродного электрода и сепаратора путь получается довольно длинным и извилистым. То ли дело специальные синтетические и наноуглеродные материалы, которые позволяют изготавливать электроды с контролируемой геометрией пор! На рис. 2 показаны чётко выстроенные поры углеродно-ионного элемента, обеспечивающие прямой и короткий путь перемещения ионов.

Легенда обрастает подробностями. В настоящее время ZapGo концентрирует свои усилия на разработке гелевых и полностью твердотельных углеродно-ионных элементов. В частности, компания создаёт полимерно-неорганические композитные электролиты в форме мембран. Эти материалы содержат связанные между собой наноразмерные каналы, образованные полимерной сетью, для облегчения миграции ионов.

Грандиозные планы

Углеродно-ионная технология ZapGo третьего поколения, которую обещают внедрить в производство уже в текущем году, будет использоваться в батареях для бытовых устройств, таких как ручной электроинструмент и электрические газонокосилки. Эти элементы будут иметь ёмкость 2,4 Вт·ч (удельную емкость 13,4 Вт·ч/кг), короткое время зарядки и долговечность более 100 тысяч циклов.

Одновременно компания работает над следующим поколением элементов, нацеливаясь на рынки электромобилей и хранения энергии в электросетях. ZapGo заявляет, что её элементы четвертого поколения будут иметь удельную ёмкость 32-56 Вт·ч/кг. Обещает, что с появлением пятого и шестого поколений технологии с пяти- и шестивольтовыми элементами батареи на них по удельной ёмкости (100 Вт·ч/кг и выше) приблизятся к ионно-литиевым аккумуляторам.

Чтобы у вдумчивого человека не возникало сомнений насчёт возможности массово производить многие тысячи тонн тончайших наноструктур, «компания уделяет много внимания организации серийного производства углеродно-ионных элементов на тех же сборочных линиях, которые сейчас используются для выпуска ионно-литиевых элементов».

По вопросу цены будущих электромобильных батарей в ZapGo придумали гениальный аргумент: «Цена углеродно-ионных батарей будет сравнима с ценой ионно-литиевых, поскольку из производственного процесса исключены два наиболее дорогих металла - литий и кобальт». Представьте, что стоимость сложных кремниевых микросхем определяют ценой кремнезёма (речного песка) как сырья для получения кремния.

Ещё одна цитата: «Отсутствие органических электролитов и лития делает углеродно-ионные элементы намного более стабильными и безопасными, чем ионно-литиевые. Они не будут подпадать под жёсткие правила, действующие сейчас в отношении транспортировки ионно-литиевых батарей и их применения в автопроме». Законы физики, говорящие нам, что высокая плотность энергии - это всегда опасность, можно проигнорировать.

Совсем уж фантастической выглядит идея Воллера включить электроды своих батарей в состав структурных элементов кузова автомобиля. «BMW i3 имеет кузов из углепластика, в машине вообще нет стали, - говорит Воллер. - Представьте, что кузов становится хранилищем энергии. Мы сможем использовать кузовные панели в качестве аккумуляторов». Весьма сомнительно, что это осуществимо, учитывая принципиальную разницу в требованиях к элементам кузова и АКБ.

Ещё о преимуществе углеродно-ионных батарей в скорости зарядки. Несложный подсчёт показывает: чтобы зарядить, допустим, батарею Tesla Model S емкостью 85 кВт·ч (которой теоретически может хватить на 500 км пробега) за пять минут, зарядная станция должна выдавать мощность 1 МВт. Самая мощная на сегодня зарядная станция ABB Terra High Power DC выдаёт всего 350 кВт. Получается, что электрозаправка, на которой одновременно смогут заряжаться десять электромобилей, должна иметь резерв мощности не менее 10 МВт - на уровне энергопотребления небольшого города.

Читайте другие наши материалы