ОРГАНИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

Группа ученых Центра энергетических наук и технологий Сколтеха совместно с коллегами из Института проблем химической физики РАН и Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева разработали новый полимерный катодный материал для быстрозаряжаемых металл-ионных аккумуляторов. В основе материала соединение полифениламинового ряда. Исследователи смоделировали новые макромолекулы с более высокой энергоемкостью и отличным экологическим эффектом.

«Наш исследовательский коллектив уже четвертый год занимается разработкой органических электроактивных материалов­, – рассказывает Павел Трошин, профессор Сколковского института науки и технологий, руководитель научной группы, – то есть химических соединений на органической основе, способных обратимо принимать или отдавать электроны. Эти исследования в Сколтехе поддержаны грантом Российского научного фонда, первая трехлетняя стадия которого была успешно реализована в 2016–2018 годах. Фонд высоко оценил наши результаты, поэтому было принято решение о продлении проекта еще на два года.

Мы уже опубликовали более десятка работ по различным органическим материалам для аккумуляторов, преимущественно на основе соединений с карбонильными группами. Для некоторых катодов получили энергоемкости >1000 Втч/кг, что как минимум в полтора раза превосходит характеристики классических неорганических материалов, которые широко используются в производстве литийионных аккумуляторов. Полученный нами материал является родственным полианилину, известному электропроводящему полимеру. Наличие как электронной, так и ионной проводимости в разработанном материале обеспечивает работу аккумуляторов при высоких плотностях тока, то есть их можно заряжать менее чем за минуту, а не за часы, как обычные литиевые аккумуляторы.

Сейчас «органические» аккумуляторы активно разрабатываются во всем мире. Вероятно, что полимерные материалы для аккумуляторов практически вытеснят неорганические в ближайшие несколько десятилетий. Предпосылки для этого понятны. 

Во-первых, органические материалы построены из легких элементов, таких как углерод, водород, кислород и азот, что априори обеспечивает более высокие удельные емкости запасания энергии по сравнению с классическими неорганическими материалами на основе соединений тяжелых металлов: железа, кобальта, никеля и марганца. 

Во-вторых, раз органические материалы не содержат тяжелых металлов, аккумуляторы на их основе будут экологичными и их переработка и утилизация может проводиться вместе с бытовым пластиком. 

В-третьих, полимерные органические материалы обладают отличными механическими свойствами, которые позволяют изготавливать гибкие аккумуляторы, которые востребованы в мире. В-четвертых, отсутствие жесткой кристаллической решетки в органических материалах при наличии ионной и электронной проводимости обеспечивает высокие скорости заряда и разряда аккумуляторов. Очевидно, что всем хочется заряжать свой телефон за минуты, а не за часы.

Наконец, органические материалы универсальны в отношении «рабочего» иона металла. Хотим – создаем литиевый аккумулятор. Если нужно сэкономить на литии, берем вместо него натрий, калий, магний или цинк. Это немаловажно, так как запасы лития в земной коре очень ограничены. Их не хватит даже для того, чтобы все автомобили в мире сделать электромобилями, не говоря о запасании значительных количеств энергии в масштабах национальных энергосетей. Потому сейчас на первый план выходят натрийионные и калийионные аккумуляторы. Последние наиболее интересны, так как обеспечивают те же рабочие потенциалы, что и литиевые аккумуляторы, а в качестве анода можно использовать дешевый графит.

Если говорить о статусе наших работ, то они весьма близки к стадии коммерциализации. Сейчас в печати у нас работа, в которой мы сообщаем о создании лучшего на сегодняшний день калийионного аккумулятора. В другой работе мы создали аккумуляторы, которые демонстрируют рекордные мощностные характеристики. Сейчас также оформляются заявки на патенты по самым перспективным разработкам.

Но если речь идет о производстве новых аккумуляторов, то в ближайшее время оно вряд ли возникнет. Дело в том, что от стадии маленькой лабораторной ячейки еще нужно пройти путь до макета реального аккумулятора (такого, как, например, в телефоне или ноут­буке), отработать производственный процесс формирования электродного покрытия в непрерывном (roll-to-roll) режиме, автоматическую сборку ячейки. Решение этих технологических задач потребует времени и инвестиций. В настоящее время мы ведем поиски потенциальных инвесторов и рассматриваем различные варианты коммерциализации наших результатов. Несколько крупных компаний уже заинтересовались нашей работой, но все они зарубежные».

Владимир Кудряшов, руководитель направления по электронике и телекоммуникационным технологиям УК «Роснано»: 

Переход мировой энергетики на возобновляемые ресурсы практически неизбежен: по прогнозам консалтинговой компании McKinsey, пик мирового потребления ископаемого топлива будет пройден до 40-х годов нашего века. С 2015 года объем ввода в эксплуатацию электростанций на возобновляемых источниках энергии превышает запуск объектов традиционной генерации. К началу 2019 года в 135 странах по всему миру уже вступили в силу меры поддержки возобновляемой энергетики. В России до 2035 года доля возобновляемых источников энергии по прогнозам составит около 4,5% общего производства и потребления.

Еще одно важное направление – развитие электротранспорта и промышленных систем накопления энергии. На аккумуляторах проекта «Лиотех» уже запущено более 250 троллейбусов с удлиненным автономным ходом в 14 городах России и более 400 кВт·ч аккумуляторов для солнечных и гибридных электростанций на Алтае и в Забайкальском крае. Заключено соглашение с РЖД о создании 130 экологически чистых маневровых локомотивов с использованием гибридного привода на базе отечественных литийионных аккумуляторных батарей.

Новый катодный материал, разработанный группой российских авторов, радует скоростью зарядки аккумулятора. При удачном развитии событий и внедрении в производство новый материал может заметно изменить расстановку сил в области портативной электроники и мобильных устройств. Однако для систем, которые требуют большой мощности и емкости (электротранспорта, резервных источников питания, накопителей для электростанций и промышленных объектов), у традиционных катодных материалов все еще остается преимущество по удельной емкости. У органических электродов удельная емкость, как правило, в среднем в два раза ниже, а это чрезвычайно важно, например, для электротранспорта, когда двойное увеличение веса батарей просто недопустимо.

Основные препятствия, с которыми сталкиваются новые «зеленые» технологии в электроэнергетике и транспорте, – это высокая цена и неразвитость инфраструктуры. Сетевой паритет, равенство цены электричества из возобновляемых и традиционных источников, в России будет достигнут только в 2030–2040-х годах. Инфраструктура зарядки для электротранспорта у нас тоже на этапе становления, не говоря уже о возможности сверх­быстрой зарядки батарей, как это предполагает использование органических катодов, – наши электросети сейчас к такому просто не готовы.

Вера Волошина, менеджер по работе с ключевыми клиентами ООО «Литэко»: 

Прежде всего необходимо разделять фундаментальную науку и технологию производства. Обычно между научным открытием и его практическим внедрением проходит как минимум несколько лет. Научная группа Павла Трошина – одна из лучших в России и ничем не уступает ведущим исследовательским лабораториям на международном уровне. 

Достижения в области органических аккумуляторных материалов действительно научный прорыв, имеющий большой потенциал коммерциализации. Но исследования пока относятся только к катодам, в идеале ячейка должна быть полностью органической, с соответствующими анодом и электролитом.

В Европе и США существует целая система государственной поддержки «зеленой» энергетики, включая научные гранты, законодательные льготы для разработчиков, производителей и потребителей новых технологий. В России тоже необходимы изменения в законодательстве и государственная поддержка инноваций в сфере энергетики. Стадия пилотных проектов всегда очень капиталоемкая.

Источник: neftehimia-journal.ru