Customer Inquiry
Andrii Buvailo
Last visit date 03 October 2013
Yurii Maletin
Last visit date 19 May 2010
Alexander Shnaydruk
Last visit date 15 December 2011

Connect with YUNASKO

FacebookLinkedinYoutube
 

Chemical batteries and energy storage (Rus)

The article will be available in English soon.

 

Химические источники и накопители энергии

В разные времена химия помогала человечеству успешно решать самые разные проблемы, что и привело к известному высказыванию М.В. Ломоносова «Широко простирает химия руки свои в дела человеческие». Однако новые времена рождают и новые проблемы, главная из которых сегодня, бесспорно, проблема энергии.

Грустная статистика: в настоящее время примерно 85% потребления энергии во всем мире покрывается за счет сжигания ископаемого топлива – нефти, газа, угля. Увы, прогнозы ученых говорят, что запасов нефти и газа человечеству может хватить еще лет на 50-60, а что потом? Начало кризиса уже начинает просматриваться, особенно, когда видишь цены на автозаправочных станциях или слышишь в новостях об очередном витке цен на газ.

Итак, нефть, газ и бензин дорожали, дорожают, и дорожать будут...пока не исчезнут совсем. А что взамен? Здесь, по крайней мере частично, человечеству снова может прийти на помощь химия. Некоторые примеры уже довольно хорошо известны – все мы знаем, какое прочное место заняли в технике и в быту разнообразные химические источники энергии. Их традиционно делят на неперезаряжаемые (или первичные), т.е. такие, которые после разряда просто выбрасываются, и перезаряжаемые (или вторичные, или аккумуляторы), которые можно многратно подвергать циклам заряд/разряд.

Среди первичных источников тока наибольшую известность получили литиевые, в процессе разряда которых на аноде окисляется металлический литий и переходит в раствор в виде ионов. В качестве катодных материалов чаще всего используются оксиды или сульфиды переходных металлов. Литий, как известно, самый легкий металл, и поэтому удельная энергия таких источников тока наибольшая. В технике удельную энергию принято оценивать в Ватт.часах, что не совсем согласуется с системой СИ, где ее оценивают в Джоулях (т.е. в Ватт.секундах). Но если помнить, что 1 Вт.час равен 3,6 кДж, то сложностей не будет. Так вот, удельная энергия первичных литиевых источников тока достигает нескольких сотен Вт.час на 1 кг массы источника, что заметно превышает удельную энергию, например, широко известных свинцовых аккумуляторов, для которых значение 40-50 Вт.час/кг считается хорошим. Правда, аккумуляторы имеют заметное преимущество – как уже упоминалось, их после разряда можно опять зарядить и они продолжают опять давать ток. И так - несколько сотен циклов заряд/разряд.

Длительное время пытались разработать аккумуляторы и на базе металлического лития, но он, в отличие от свинца (и некоторых других тяжелых металлов), никак не хотел перезаряжаться, т.е. осаждаться из раствора опять на поверхности металла. Тому есть причины, они химикам известны, но от этого не легче – аккумулятор с металлическим литием, как бы он не был привлекателен, так и не удалось сделать.

Здесь мне могут возразить, мол, литиевые аккумуляторы недавно получили широкое распространение и в бытовой электронике, и в гибридных автомобилях. Согласен, только в этих аккумуляторах… нет металлического лития (!). В большинстве таких аккумуляторов анод в разряженном состоянии представляет собой обычный графит, между слоями которого в процессе зарядки аккумулятора внедряются ионы лития из электролита (и катодного материала, в качестве которого чаще всего используется кобальтит лития). В процессе разряда эти ионы выходят из графита назад в электролит (и внедряются в катодный материал). Такая система получила название “rocking-chair”, т.е. кресло-качалка. Отличная идея! Литий-ионные аккумуляторы, как их теперь называют, демонстрируют самые лучшие удельные характристики по сравнению со всеми остальными типами аккумуляторов, и сферы их использования активно расширяются. Появляются различные модификации, например, литий-полимерные аккумуляторы, в которых вместо жидкого электролита используется полимерный и др.

Еще один химический источник тока, с которым связывают большие надежды (а идея известна с 1839 года!), - это так называемый топливный элемент. В наиболее распространенном варианте такого элемента на катоде восстанавливается кислород воздуха, а на аноде окисляется водород. Химик сразу сообразит, что продуктом реакции является обычная вода, а значит такой источник тока – просто мечта экологов. Да и рабочее вещество, по крайней мере, для катодного процесса – доступно и дешево. И по запасенной энергии топливный элемент превосходит все другие химические источники тока...

Но привлекательность топливного элемента долгое время так и оставалась мечтой ученых и темой большого числа научных проектов. Много проблем стояло на пути разработчиков – снижение перенапряжения электровосстановления кислорода, надежно работающие протон-проводящие мембраны и др. Из-за обилия и сложности этих проблем до конца 20-ого века топливные элементы использовались довольно ограниченно – в космических проектах, в изделиях военной техники и в некоторых других, где с затратами не очень считаются. В последнее время, правда, стали они использоваться и в мирных изделиях, например, в 2003году компания Honda выпустила электромобиль Honda FCX, который свободен от бензинового двигателя, но, тем не менее, способен проехать по городу до 250 км. Под капотом автомобиля находится электродвигатель, который питает батарея топливных элементов. Батареи хватает надолго, а «заправка» сводится к замене небольшого баллона с водородом. Один недостаток у батареи – мощность маловата, и на перекрестке автомобиль разгонялся бы очень-очень медленно. Мы написали «разгонялся бы», потому что на самом деле Honda FCX стартует так, что BMW позавидует. Неужели конструкторы компании Honda смогли существенно изменить природу топливного элемента, которому уже почти два века? Нет, топливный элемент все тот же – с довольно низкой мощностью, но при разгоне он почти не работает. Мощный рывок двигателю обеспечивает дополнительная батарея так называемых суперконденсаторов. Та же самая комбинация – топливный элемент и суперконденсатор – используется в электро-автобусах американской компании ISE.

Это новое имя – суперконденсатор – сравнительно недавно появилось в лексиконе специалистов по источникам и накопителям энергии. При изготовлении суперконденсаторов используются современные нанотехнологии, в частности, нанопористые электродные материалы с огромной удельной поверхностью – порядка 1000 квадратных метров на 1 грамм материала! От обычных конденсаторов суперконденсаторы отличаются значительно большей удельной энергией – на два-три порядка выше! И хотя по запасенной энергии современным аккумуляторам они все же уступают, но по удельной мощности превосходят их, по крайней мере, на порядок – и это при к.п.д. порядка 95%! И количество циклов заряд/разряд у суперконденсаторов исчисляется сотнями тысяч. Поэтому они могут эффективно использоваться не только в электромобилях, которые пока что являются экзотикой, но и в гибридных автомобилях, в которых небольшой бензиновый двигатель сочетается с электродвигателем. Экономия топлива и сильно уменьшенное количество вредных выбросов сделало такие автомобили, наиболее известным из которых является Toyota Prius, хитом первого десятилетия 21-ого века. Сегодня многие ведущие автомобильные компании – General Motors, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Opel, Peugeot, Citroen, Fiat, BMW и др. - занимаются разработкой гибридных автомобилей и ... суперконденсаторов.

Высокая удельная мощность и практически неограниченная циклируемость – эти преимущества привлекательны не только для производителей автомобилей. Буквально за последние несколько месяцев суперконденсаторы начали стремительно вторгаться и во многие другие области рынка, где-то потеснив, а в большинстве случаев помогая традиционным аккумуляторам.

Очень перспективно использование суперконденсаторов вместе с батареями для альтернативных источников энергии, таких как ветроэнергетические установки и солнечные панели. По вполне понятным причинам (представьте, например, простую ситуацию, когда на улице пасмурно и полный штиль...) эти источники нуждаются в надежном буферном устройстве, которое способно накапливать большой запас электрической энергии и выдавать ее в такое время и такими порциями, какие нужны потребителю.

Еще примеры. Японская компания NEC Tokin поместила небольшие суперконденсаторы параллельно с литий-ионными батарейками в цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и ноут-буки – и срок службы батареек удлинился в полтора-два раза. Это неудивительно, поскольку все пиковые нагрузки (хотя и кратковременные, но губительные для батареек) взяли на себя суперконденсаторы.

Немецкая компания AEG предложила использовать суперконденсаторы для сглаживания пиковых нагрузок на аккумуляторах в переносных электродрелях и в другой бытовой электротехнике. Если раньше, встретив более твердый участок, сверло заклинивало, поскольку аккумулятор не справлялся с повышенной нагрузкой, и рабочий, используя ненормативную лексику, извлекал заклинившее сверло, то теперь повышенные нагрузки берет на себя суперконденсатор и сверло ходит, как по маслу.

Курская компания ЭЛИТ выпускает суперконденсаторы для автомобильной аудио-техники. Красивое мощное звучание низких частот с обертонами автомобильный аккумулятор «не вытягивает», а у суперконденсатора нет проблем. Кстати, те же куряне недавно заключили договор с Харьковским заводом им. Малышева на поставку суперконденсаторов для запуска дизельных двигателей. Конечно, от Харькова до Курска недалеко, но все-таки жаль, что до недавнего времени не находилось желающих организовать выпуск суперконденсаторов в Украине, тем более, что разработанные здесь суперконденсаторы превосходят по своим характеристикам не только курские, но и японские, и американские, и немецкие...

Недавно, однако, свет в конце туннеля все-таки появился, и есть надежда, что в ближайшем будущем суперконденсаторы вместе с литий-ионными батареями и другими аккумуляторами помогут нам и нашим потомкам решить хотя бы часть энергических проблем.