Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>«Этот сюжет достоин быть вписанным в историю инноваций как пример того, что технический прогресс определяется не научными идеями и открытиями – а технологиями. Мало найти, обнаружить новое явление или эффект – надо еще это явление заставить работать, а эффект применить на практике».
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Так Николай Ляхов, главный ученый секретарь Сибирского отделения РАН, член-корреспондент РАН, директор Института химии твердого тела и механохимии, говорит о разработке, которая легла в основу проекта первого в России производства современных литий-ионных аккумуляторов. Одного из двух новосибирских проектов, которые получили одобрение и поддержку РОСНАНО.
Чтобы понять, в чем действительно заключается ценность и уникальность технологии, предложенной сибирскими учеными, начать придется издалека.
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Кобальтовые цепи
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Начнем с того, что литий-ионные батареи сегодня – отнюдь не экзотика. На таких батарейках работают электронные часы, сотовые телефоны, плееры, переносные электробритвы, фотоаппараты, ноутбуки – вся эта ставшая привычной для нас техника, требующая автономных источников питания.
- Например, на рынке ноутбуков сегодня соревнование идет в двух направлениях, - поясняет Николай Ляхов. – Первое – повышение скорости самого процессора, второе – увеличение запаса времени автономной работы. И как прикажете эти два требования совмещать? Ведь чем мощнее процессор, тем больше энергии он потребляет и тем быстрее ее тратит. Значит, емкость источника питания тоже должна расти. И тут у литий-ионных батарей нет соперников: они – самые емкие.
Литий – элемент необычный. Самый легкий из металлов, он в обычных условиях вступает в реакцию с водой, горит на воздухе, выделяя при этом летучие и едкие щелочные оксиды. Работать с ним невозможно. И все же люди научились использовать литий – связав его с другим металлом в оксидном соединении. Этой цепью, которой ученые «приковали» непослушный элемент, стал кобальт.
Вы спросите, зачем столько трудов? Зачем нужен такой неудобный и сложный в обращении компонент? Да затем, что легкий литий обладает весьма любопытным свойством: его ионы в соединениях с другими металлами способны перемещаться внутри кристаллической структуры вещества. Получается электрический ток – но не электронный, со знаком «минус», как в обычных сетях, а ионный, со знаком «плюс».
Что это нам дает? Раз есть ионный ток, значит, можно сделать ионный накопитель. Причем если в обычном конденсаторе заряд собирается только на поверхности, то в ионном накопителе работает весь объем, а значит, емкость батареи увеличивается в разы.
И все было бы хорошо: литий-кобальтовые батарейки прекрасно ведут себя в часах, мобильниках и прочей мелкой аппаратуре, но когда дело доходит до устройств более масштабных, тут кобальт обнаруживает свои недостатки.
Во-первых, металл это довольно редкий и дорогой – по стоимости приближается к серебру. Для телефона это, может быть, не имеет большого значения, а вот, к примеру, в автомобиле сразу существенно отразится на цене. Есть и второе «но»: в аккумуляторах на основе литий-кобальтового оксида надо ограничивать ток заряда. Иначе они могут взорваться. И то, что в случае с сотовым телефоном окажется просто досадной неприятностью, в случае с ноутбуком уже может угрожать безопасности человека.
- Пытались кобальт заменить на никель, добавляли марганец, пробовали различные комбинации, - рассказывает Николай Ляхов. – Находили соединения, не уступающие по емкости литий-кобальтовым и при этом более безопасные. Но с каждым новым компонентом сложность получения, а значит и стоимость материала возрастали. Новые продукты просто не выдерживали конкуренции на рынке. В конце концов, исследователи впали в уныние и пришли к выводу, что эту проблему решить нельзя, что от литиевых источников придется отказаться. И вот тут… Вот тут у ученых появился новый оксид – литий-железо фосфат.
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Энергия тонкого помола
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Собственно говоря, соединять литий с железом уже пробовали. Но у получившегося вещества оказалась столь низкая электронная проводимость, что никому и в голову не пришло использовать его в аккумуляторах. Как выразился Николай Ляхов, «синтезировали, померили – и отодвинули».
Дело в том, что, какими бы замечательными свойствами ни обладал ионный накопитель, в цепи мы все равно можем использовать только электронный ток. Поэтому нам и нужен второй металл – как источник электронов. Железо не подошло – проводимость материала подкачала, и о нем благополучно «забыли».
До тех пор, пока ученые не догадались это соединение… помолоть. И выяснились удивительные вещи: если мы уменьшаем размер частиц и, соответственно, увеличиваем поверхность, то этот материал – литий-железо фосфат, который в одном «куске» имел очень низкую электропроводность, - в порошке становится отличнейшим проводником.
- Тут уже любой школьник поймет, - говорит директор ИХТТМХ, - чем больше поверхность катода, тем больше получается ток. Сегодня использование литий-железо фосфата позволяет достигать разрядной емкости 170 миллиампер в час на грамм катода. Для сравнения: соединение с кобальтом дает емкость на 30 процентов меньше.
Впечатляет? Еще бы! Но у батарей «с железом» есть еще одно весьма важное преимущество – они куда дольше могут держать рабочее напряжение.
- Литий-кобальтовые элементы разрядить до нуля практически не удается, - поясняет Николай Ляхов. – Они начинают снижать напряжение задолго до того, как кончится заряд, – и прибор уже не может дальше работать. При этом 30-40 процентов емкости, как правило, остаются неиспользованными. В идеале батарея должна отдавать всю свою емкость при постоянном напряжении. Таких идеальных устройств пока еще не придумано, но литий-железо фосфат уже отчасти приблизился к искомому совершенству.
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Мельницы на грани фантастики
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Однако все, о чем мы до сих пор говорили, - это пока что теория. Научные знания, идеи и открытия. Как воплотить их в жизнь, как приготовить катодную массу, чтобы при минимальных затратах получить максимально эффективный материал, в решении этой задачи как раз и преуспели сотрудники Института химии твердого тела – обойдя своих коллег из ведущих научных центров Востока и Запада.
- Именно здесь сегодня и идет соревнование, - говорит Николай Ляхов, – кто сделает более мелкий, более однородный и более активный порошок. Причем не просто порошок, а композит: чтобы материал получился более электропроводным, частицы литий-железо фосфата покрывают углеродом. Проще говоря – сажей.
Вот в этом и состоит ноу-хау сибирских ученых: им удалось создать уникальную технологию приготовления фосфатно-углеродной смеси – где каждая твердая нанокрупица покрыта равномерным слоем мягкого компонента.
Коллеги и конкуренты изобретали свои способы смешивания двух таких разных веществ: одни окунали оксид в углеродсодержащий раствор, другие пробовали пропитать порошок керосином, а потом нагреть. Все это оказались «тупиковые ветви развития». Наши ученые предложили совершено иной, куда более простой и действенный метод.
Конечно, у сибирских химиков был большой задел: сотрудники ИХТТМ уже имели опыт получения подобных механокомпозитов. Такой эффект «смешанного перемалывания» действует, когда приходится иметь дело с двумя субстанциями различной твердости.
- Эти вещества ведут себя по-разному, - продолжает Ляхов, - твердая превращается в микро- и нанокрупицы, мягкая растекается, распределяется по поверхности этих крупиц, увеличивая площадь их соприкосновения друг с другом. Получается своего рода «каша». Но для достижения такого эффекта нужны специальные условия, специальные устройства.
Специальные устройства – это мельницы-активаторы, разработанные в Институте химии твердого тела. Таких мельниц нет больше нигде в мире.
- Время от времени мы покупаем для сравнения импортные аналоги и всякий раз убеждаемся – наши лучше! Там, где на импортном оборудовании надо молоть часами, мы получаем результат за две-три, а то и за половину минуты.
Этот сюжет должен войти в историю – примером того, как открытия и научные идеи могут долгое время оставаться невостребованными и ненужными. До тех пор, пока не будет найдена технология, которая поможет претворить их в реальное производство и получить реальный продукт.
На эту уникальную, единственную в своем роде технологию сегодня с большим интересом заглядываются крупные зарубежные компании. Многие были бы не прочь купить и сибирское ноу-хау, и сибирское оборудование. Но продавать свою разработку наши ученые не торопятся, у них пока другие планы.
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Литий, который изменит мир
Arial<#two#> size=<#two#>3<#two#>>Через четыре года с конвейера в Новосибисрке сойдет первый тяговый литий-ионный аккумулятор, полностью изготовленный по сибирской технологии и из сибирских материалов. уквально на днях госкорпорация РОСНАНО и китайская компания Thunder Sky подписали контракт. Проект, как теперь модно это называть, кластерный: предполагается, что сначала новое производство станет выпускать литий-ионные источники по старой китайской технологии, но постепенно – сперва катод, затем анод, а потом и электролит – будут заменяться отечественными разработками.
Заметьте – здесь собираются делать не просто батарейки, а мощные тяговые аккумуляторы для больших, 40-местных автобусов.
- Рынок – огромный, - говорит директор ИХТТМХ. – И в первую очередь, конечно, это сам Китай. Я был в технопарке в Чань-Чуне, там сейчас строится автобусный завод. Они выразили готовность покупать у нас 2,5 миллиона аккумуляторов в год! Такие объемы мы пока даже не закладываем. И второе: китайцы смотрят в будущее. Они не зря размещают свою линию в России. Они понимают, что наш рынок тоже очень перспективен, и заранее стараются приблизить производство к потребителю.
По оценкам специалистов, будущие российские аккумуляторы значительно мощнее нынешних китайских. Если к этому приплюсовать еще простоту процесса приготовления катодной массы, отсутствие выбросов и экологическую безопасность технологического процесса, то получается – новое производство будет самым эффективным в мире.
На какое-то время в области создания литий-ионных источников мы оказались впереди планеты всей. Надолго ли – неизвестно, поскольку тема эта на острие актуальности, и многотысячные научные коллективы в разных странах мира сейчас заняты ее разработкой. А значит, надо успеть воспользоваться той форой, которую дали нам технология сибирских ученых и чудо-мельницы, сделанные в Институте химии твердого тела.
- Сфера применения литий-ионных источников огромна, - говорит директор института Николай Ляхов. – Это не только аккумуляторы для автобусов. На электричество можно перевести велосипеды, самоходные тележки, газонокосилки, бытовые приборы и инструменты. Есть такая задача, как стабилизация частоты в городских сетях – по вечерам, когда люди приходят с работы и расход энергии резко повышается. Сегодня для этого используют очень сложные инженерные механические устройства. Их можно было бы легко заменить на литий-ионные батареи. Вспомогательные источники питания на железной дороге, электрокары в складских помещениях, наконец, компьютеры – возможности применения этих батарей неисчислимы. Взять тот же автомобильный транспорт, который скоро можно будет заряжать от розетки, как сотовые телефоны. Это целая отрасль, которая зарождается сегодня на наших глазах и в ближайшем будущем готова изменить мир.
Arial<#two#>>
