Цивилизация
Сотрудники лаборатории прикладной физики Хунцзе Дая — профессора Стэнфордского университета и одного из ведущих исследователей в области углеродных нанотрубок — сумели вдохнуть новую жизнь в технологию железо-никелевых аккумуляторов, разработанную Томасом Эдисоном более ста лет назад специально для нужд электрического автотранспорта.
С точки зрения стоимости и энергоемкости железо-никелевые аккумуляторы близки к литий-ионным, но намного превосходят их по части выносливости к экстремальным режимам эксплуатации — частым циклам разряда и заряда, а также к перезаряду, глубокому разряду, коротким замыканиям, термическому и вибрационному воздействиям.
Способность таких батарей выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью Fe3O4 — реагента, входящего в состав их электролита.
Из-за низкой растворимости процесс образования и осаждения кристаллов железа на электродах идет медленней, что и удлиняет срок службы таких аккумуляторов, который на практике (например, в горной промышленности, где они до сих пор используются в качестве надежных резервных источников питания) может достигать 20 лет.
Спрашивается, почему долгоживущие железо-никелевые батареи не заменили ставшие столь популярными литий-ионные, менее выносливые, грешащие перегревом и ухудшением характеристик при слишком интенсивном заряде и имеющие несравнимо более короткий жизненный цикл — недостаток, отлично знакомый всем владельцам ноутбуков и мобильных гаджетов.
Ответ кроется в одном существенном недостатке железо-никелевой технологии, связанном все с той же низкой растворимостью Fe3O4:
такие аккумуляторы заряжаются очень, очень медленно.
Впрочем, также неохотно они эту энергию и отдают.
Для солнечной и ветроэнергетики, где требуется запасать энергию впрок в течение долгих часов работы, такой недостаток некритичен, и в последнее время в этой индустрии действительно наблюдается повышенный интерес к железо-никелевым батареям. А вот для автотранспорта критичен, так как заряжать электромобиль с таким аккумулятором по времени придется столько же, если даже не дольше, сколько вы на нем катались (впрочем, в качестве тяговых аккумяторов для погрузчиков и автокаров железо-никелевые батареи вполне годятся, но и режим использования этой техники совсем другой).
Собственно, избавиться от данного недостатка и удалось в лаборатории Хунцзе Дая, команда которой сумела сократить цикл зарядки/разрядки железо-никелевой батареи в 1000 раз.
<4>Достигнуть такого результата удалось с помощью графена (двумерного кристалла углерода, состоящего из одиночного слоя атомов, собранных в гексагональную решётку) и многостенных нанотрубок — разновидности углеродных нанотрубок, состоящих из нескольких (в данном случае — из десяти) свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей.
Вырастив методом осаждения из пара кристаллы Fe3O4 непосредственно на графеновой подложке (анод), а кристаллы гидроксида никеля — на углеродных нанотрубках (катод), исследователи получили углерод-гибридную разновидность электродов с на порядки улучшенной электронной проводимостью. С такими электродами «ультрабыстрая» железо-никелевая батарея заряжается и разряжается буквально за секунды.
Так, для полной зарядки одновольтной батареи, испытанной в лаборатории, требуется 2 минуты, а для полной разрядки — 30 секунд, притом энергоемкость железо-никелевой батареи с такими электродами больше, чем у обычной.
Конечно, такая микробатарейка — всего лишь лабораторный прототип, необходимый для точных режимных замеров и испытания электродов нового типа, но ее емкость, по утверждению исследователей, чью статью публикует Nature Communications, можно масштабировать, и тогда она уже будет конкурировать с литий-ионными.
Впрочем, о полноценной конкуренции с литий-ионными аккумуляторами, вынуждающими владельцев электромобилей на несколько часов зависать у электрических розеток, в случае с новой технологией говорить пока рано.
Как признают исследователи, энергоэффективность новых батарей «пока не идеальна», поэтому использовать их можно пока что в качестве вспомогательного источника энергии для более быстрого разгона (как мы помним, литий-ионные батареи не очень-то любят быстрые интенсивные нагрузки), а также в цикле тормозной рекуперации энергии (скачкообразную интенсивную подзарядку во время частых торможений литий-ионные аккумуляторы тоже переносят плохо — греются и быстрее разрушаются).
Не исключено поэтому, что в ближайшем будущем электромобили будут работать от аккумуляторов смешанного типа — литий-ионных и железо-никелевых нового углерод-метал-гибридного типа. Хотя до широко их внедрения потребуется отладить еще и промышленную технологию производства электродов с использованием графена и углеродных нанотрубок, а это тоже весьма нетривиальная задача.
Как бы то ни было, железо-никелевая батарея, изобретенная еще Томасом Эдисоном в начале прошлого века (до него с такими батареями экспериментировал, только неудачно, изобретатель никель-кадмиевого аккумулятора Вальдемар Юнгнер), получает вторую жизнь, прибавив к старым козырям (выносливость, долговечность и возможность долгого хранения в полностью разряженном состоянии) еще один — сверхбыструю зарядку, который имеет все шансы побить литий-ионную монополию.
Притом наиболее активно использоваться железо-никелевая будет именно там, где и хотел американский изобретатель — в электрическом автотранспорте.