Цивилизация
В век скоростей, мобильности и интенсивного ритма жизни «друзья человека» — мобильные телефоны и ноутбуки — также активно развиваются. Их размеры становятся все меньше, а возможности и время автономной работы все больше. Однако бесконечное эволюционное изменение существующих технологий, в частности источников питания, по понятным причинам невозможно. Рано или поздно они исчерпают свой ресурс, и произойдет переход к принципиально иным технологиям и устройствам.
Возможно, такой альтернативой обычным батарейкам станут суперконденсаторы. Сейчас их использование технологически ограничено, однако ученым из Университета Дрекселя (США) и их французским коллегам из Университета Тулузы удалось значительно усовершенствовать существующие суперконденсаторы. Это позволяет надеяться на их более широкое внедрение и принципиальное улучшение качества работы электронных устройств, которые стали неотъемлемой частью жизни миллионов людей по всей планете.
О разработанной технологии рассказал «Газете.Ru» руководитель работы профессор Дрексельского университета Юрий Гогоци.
— Чем отличаются суперконденсаторы от обычных конденсаторов?
— Суперконденсатор (в русскоязычной литературе их называют еще ультраконденсаторами или ионисторами) — это конденсатор с органическим или водным электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. В связи с тем что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) очень мала, а удельная площадь поверхности электрода очень велика, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. Именно этим и определяются их уникальные свойства.
Для сравнения, обычный конденсатор, состоящий из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками) из металлической фольги, разделенных диэлектриком малой толщины, имеет емкость порядка от пикофарад до микрофарад. Больше заряда накопиться на поверхности раздела проводник-диэлектрик не может. А в суперконденсаторах вместо фольги используется пористый углерод. Особенность этого материала в его очень высокой удельной поверхности – до тысяч кв. м на грамм. То есть в крупинке этого материала скрыта площадь нескольких стадионов. Вот такой суперконденсатор может накопить гораздо больше заряда: относительно большой аппарат (размером с банку колы) имеет емкость в несколько тысяч фарад, то есть на 10 порядков величины больше, чем твердотельные конденсаторы.
Сейчас ионисторы широко используются в мобильных телефонах и в компьютерах.
Когда вы быстро выводите ноутбук (или другое портативное устройство) из спящего режима, для вас работает именно ионистор. Он позволяет обеспечить быструю передачу энергии, чтобы выйти из режима сна.
Однако эти суперконденсаторы по ряду причин не могут заменить обычную литиевую батарейку. Их конструкция — или пластина в пластиковой упаковке, или цилиндр, упакованный в алюминий, которые затем припаиваются к интегральным схемам. Ограниченность использования ионисторов объясняется несколькими факторами. Во-первых, до сих пор не было создано технологий, которые позволяют напрямую встроить ионистор в микросхемы. Во-вторых, не удавалось довести их емкость до значений, конкурентоспособных в мире батарей.
— Какие принципиально новые технические решения были предложены вами?
В опубликованной в Science работе мы показали метод, который позволяет в два-три раза увеличить емкость конденсатора на единицу объема, что решает одну из заявленных проблем. Кроме того, мы разработали технологию создания ионисторов в виде пленки, которая может быть интегрирована на поверхность кремниевых подложек и встроена в таком виде в электронное устройство.
В принципе сам этот материал (углерод, полученный экстракцией металла из карбидов) исследовался для использования в ионисторах давно. Первые работы были сделаны в Санкт-Петербурге в конце 90-х годов С. Гордеевым, А. Кравчиком и другими. Но тогда были предложены технологии работы с порошками. Мы же не только продолжили работы на порошках, но и показали, что для более эффективного функционирования устройства можно перейти к пленкам.
В чем преимущество пленки перед порошком? При напылении порошка на подложку между его частичками остаются поры, попросту заполненные «бесполезным» электролитом. За счет этого снижается эффективность устройства и увеличивается его вес. Чтобы обойти эту проблему, нужна пленка, где размер пор будет полностью соответствовать размеру ионов электролита. Так снижается вес устройства, растет его эффективность, емкость, а также появляется возможность использовать нанопористую пленку как цельный объект.
Мы считаем, что наша работа закладывает новое направление, которое позволит использовать ионисторы более широко и эффективно, чем это делается сейчас. Ионисторы способны улучшить использование многих электронных приборов, так как обладают рядом серьезных преимуществ.
Во-первых, по сравнению с обычными батарейками они безапелляционно выигрывают по скорости зарядки.
Этот дает возможность использовать разряженный прибор уже через несколько секунд после того, как его вставили в розетку. Не нужно объяснять, насколько это удобно.
Во-вторых, срок жизни ионисторов почти неограничен: они выдерживают сотни, тысячи и даже миллионы циклов работы. То есть в отличие от батареек их не нужно заменять — они сами переживут любое устройство. Собственно, это одна из причин, по которым ионисторы менее известны «в народе», чем литиевые батарейки. Батарейки мы постоянно меняем, ругаемся на них, ищем лучшие, а ионисторы за время службы любых наших устройств работают стабильно, не дают о себе знать и работают до конца срока службы прибора. Вот поэтому мы о них и не знаем, хотя они есть во многих очень распространенных сейчас устройствах.
В-третьих, они обладают гораздо большей плотностью мощности, которая позволяет тронуть с места и быстро разогнать электромобиль, послать мощный радиосигнал или приложить максимальное усилие к электрической отвертке или дрели.
Есть у них и очевидные недостатки: у них заметно меньше плотность запасенной энергии. Если оснастить прибор одним лишь ионистором, время его работы будет очень коротким. Например, его может хватить лишь на несколько минут разговора по мобильному телефону. Но зато они полностью отдают заряд, то есть способны зарядиться от почти севшей батарейки и эффективно отдать энергию, которая в батарейке была уже «пассивной».
— Какова стоимость производства ионисторов?
— Что касается стоимости технологии ионисторов, она недорогая. Из материалов необходим углерод, алюминий для токосъемников и какой-то электролит. Им может быть хоть соленая вода, как и в других обычных приборах, или органические электролиты, которые могут давать большую плотность энергии. То есть фундаментально в этой технологии нет ничего дорогого – ни редких металлов (таких как тантал в хороших «обычных» конденсаторах), ни токсичных металлов. Фактически в данный конкретный момент они чуть более дорогие, потому что малы объемы производства: малые промышленные обороты неминуемо приводят к большей стоимости. Но это лишь вопрос времени. Вспомните батарейки литиевые 10 лет назад: цена была выше, а срок их жизни, эффективность работы — меньше. Сейчас индустрия ионисторов проходит ту стадию, на которой литиевые аккумуляторы были 10–15 лет назад.
— Расскажите о своей научной карьере
— Я закончил инженерно–физический факультет Киевского политехнического института в 1984 году и там же защитил кандидатскую диссертацию по физической химии в 1986. Докторскую диссертацию я делал в Институте проблем материаловедения (ИПМ) им. И. Н. Францевича Академии наук Украины. За рубежом я работаю с 1990 года (Германия, Япония и Норвегия – объездил полмира, чтобы понять, как наука организована в Азии и Европе), конкретно в США с 1996 года. В данный момент я руковожу Дрексельским институтом нанотехнологии, а также являюсь профессором материаловедения и инженерии в Дрексельском университете в Филадельфии.
Я поддерживаю научные связи с моими коллегами в Киеве, как и с коллегами по всему миру. Наука вообще по сути интернациональна. Например, работа по ионисторам сделана в сотрудничестве с коллегами из Франции. Сейчас у меня в группе работает студентка из Московского государственного университета, с факультета наук о материалах, который возглавляет замечательный специалист и настоящий научный лидер академик Юрий Третьяков. Коллеги из Киева также приезжают сюда на работу и в аспирантуру. Продолжается и сотрудничество с Центром материаловедения, ИПМ и Киевским политехническим институтом (сейчас он называется Национальный технический университет) – между ним и Дрексельским университетом недавно подписан договор о дружбе и сотрудничестве, планируются большие совместные работы.
— Как вы оцениваете состояние науки на Украине?
— Я бы сказал, что на Украине ситуация сейчас даже хуже, чем в России. России во многом помогли пережить трудные времена соросовские гранты 90-х годов, а Украина отказалась от них. Возможно, поэтому в России сохранилось больше групп, где ученые продолжают работать на мировом уровне. На Украине такие группы также есть, но их меньше.
Особенная ситуация сложилась с материаловедением. Эта отрасль исторически работала на советский военно-промышленный комплекс, поэтому после распада СССР здесь настали особенно тяжелые времена. Возникло полностью потерянное поколение: кто-то уехал за границу, кто-то совсем бросил науку. Когда я приезжал в родной институт в середине 90-х годов, я и коллеги моего возраста были самыми молодыми: новые люди не приходили.
Сейчас ситуация меняется. Снова появились студенты, аспиранты, заметен повышенный интерес к науке. Но все еще необходим длительный процесс, чтобы восстановить утраченное.
А академическая система в Украине очень косная, очень устаревшая.
За 20 лет в ней слишком мало изменилось. Украинской науке нужны свежие силы, нужны другие взгляды на организацию научной деятельности. Украинская наука должна интегрироваться в мировую науку. Нужно отказаться от идей печатать научные журналы на украинском языке: это бессмысленно. Нужно больше уделять внимание англоязычной литературе и издавать на Украине англоязычные журналы, которые будут доступны мировой научной общественности. Кроме того, сейчас очень мало людей возвращается назад после работы за рубежом. Если бы была создана система привлечения таких кадров, их опыт был бы бесценным для организации новых научных школ, укрепления связи с международными научными центрами и повышения общего уровня науки.
Будущее украинской науки, мне кажется, всецело зависит сейчас от скорости ее интеграции в мировую науку и перестройки самой системы. Важную роль в этом играет и правительство, и то, как новый президент оценит важность развития научной сферы. Если эти идеи найдут отклик – опыт Китая показывает, что правильная политика и достаточные инвестиции вполне могут за довольно короткое время существенно повысить научный уровень страны и ее конкурентоспособность на мировом рынке.