Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2011 № 11
Ну а что мы имеем сегодня? По расчетам доктора химических наук Александра Скундина из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН, чтобы соперничать с автомобилями, силовой агрегат электромобиля должен иметь мощность хотя бы 10 кВт. Запас хода пусть будет на 10 часов езды. Значит, электромобилю потребуется батарея емкостью 100 киловатт-часов. Ныне удельная емкость свинцового аккумулятора составляет порядка 30 Вт/ч на килограмм веса. То есть для электромобиля он будет весить… 3(!) тонны.
Правда, свинцовые аккумуляторы ныне все чаще заменяют литий-ионными, у которых характеристики получше — 100–200 Вт/ч на килограмм. Но и при этом электромобиль вынужден был бы возить источник энергии массой в 500 кг. Причем пока не делает никто больших литий-ионных аккумуляторов. Их используют разве что в мобильниках и прочих подобных устройствах.
И это не случайно. Во-первых, мощную батарею придется составлять из нескольких сотен малых аккумуляторов, а хорошо известно: чем больше элементов в системе, тем менее она надежна. Литий-ионный аккумулятор боится холода, его нельзя перегревать — при 100 градусах он может взорваться. В-третьих, литий чрезвычайно бурно вступает в реакцию с водой. И если батарея весом в полтонны попадет при аварии в воду — взрыв будет такой, что мало никому не покажется за сотни метров в округе.
Наконец, помимо большого веса слабое место аккумулятора — необходимость его периодически заряжать. А это процесс не быстрый — ныне даже малые литий-ионные аккумуляторы для мобильных устройств заряжаются не менее часа.
Кроме того, если брать энергию для зарядки от обычных промышленных ТЭЦ, то все разговоры об экологичности электромобилей превращаются в миф. Какая, собственно, разница, загрязняют ли атмосферу в городе выхлопные газы автомобилей или дымовые трубы ТЭЦ?
Компромиссная комбинация
Именно поэтому ныне создатели автомобилей все чаще обращают свои взоры на комбинированные установки, каждая из которых включает в себя электродвигатель, аккумулятор и какой-то мобильный источник энергии. Ныне самый дешевый — бензиновый двигатель. На худой конец — солнечная батарея либо топливный элемент.
Почему «на худой»? Да потому, что стоят такие батареи и топливные элементы весьма дорого, а КПД у них невелик. Поэтому специалисты из Объединенного института высоких температур РАН предлагают в таких случаях использовать сменные одноразовые химические батареи. Их удельная емкость в несколько раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.
«Если наладить систему сбора и переработки батарей, такое решение окажется совсем не плохим, — полагает один из разработчиков, Борис Клейменов. — Мы считаем, что основой успеха послужит не сам по себе аккумулятор, а энергетическая установка, которая состоит из аккумулятора и химического генератора…»
Химический генератор дает основную часть энергии и для двигателя, и для заряда аккумулятора, который служит для того, чтобы покрывать пиковые нагрузки, например, при разгоне с места. Возможно в схеме и наличие суперконденсатора. В отличие от аккумулятора, он заряжается и разряжается чрезвычайно быстро, давая высокую мощность для быстрого разгона.
Наши специалисты даже сделали образец такой машины. Она имеет алюминиево-воздушный генератор, который позволяет получать электричество за счет окисления алюминия, и обычные свинцовые аккумуляторы. «В итоге удельная энергоемкость составляет 140 Вт/ч на килограмм. Это совсем не плохо, хотя с литиевым аккумулятором получилось бы 200–300 Вт/ч», — пояснил Клейменов. Заправка такой машины будет занимать не больше времени, чем бензинового автомобиля. Просто техник на станции техобслуживания устанавливает взамен разряженного новый генератор, и можно ехать. Разряженный же генератор промывают, заполняют свежим алюминием, и он снова готов к работе. Отходы же отправляют на переработку, получая в итоге электролиза опять-таки алюминий.
Правда, расчет показывает, что при нынешних ценах на алюминий стоимость 100 км пути в городе на таком электромобиле составит 500 рублей. Это, конечно, дороговато. Но с учетом того, что цены на бензин все растут, а технологии совершенствуются, со временем такое решение может оказаться экономически вполне оправданным.
Никель-кадмиевые аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы.
Аккумуляторная батарея для автомобиля
Алюминиево-воздушный аккумулятор.
Энергетическая экзотика
Да и сами эксперименты с алюминием вовсе не означают, что разработчики иных «сосудов для электричества» уже опустили руки. Изобретатели продолжают совершенствовать и уже известные аккумуляторы, и придумывают новые.
Например, корпорация «Сони» недавно разработала экспериментальный образец заряжаемой ионно-литиевой батареи, в которой вместо редких металлов типа лития используются вытяжки… из кукурузных и кофейных зерен!
Двух экспериментальных батареек нового типа, как утверждают разработчики, достаточно, чтобы в течение часа давать энергию портативному музыкальному плееру. Корпус новой батареи также изготовлен из растительных волокон, которые легко утилизируются.
Уже есть технологии, позволяющие повысить емкость такой батареи примерно в 100 раз и заряжать ее также до ста раз. Однако разработчикам еще предстоит решить проблемы, связанные с чрезмерной уязвимостью растительных компонентов к нагреву, повысить долговечность и стабильность работы новых устройств.
Еще один способ улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов связан с… мылом! Да-да, не удивляйтесь, исследователи из департамента энергетики Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США обнаружили, что обычные мыло и воск обладают некими «секретными» свойствами.
Как известно, к трем основным компонентам литий-ионного аккумулятора относятся два электрода — анод и катод, а также электролит. Положительно заряженный анод изготавливается из графита, а катод (заряжен отрицательно) часто выполняется из оксидов металлов — например, кобальта и никеля. В свою очередь электролит — это литиевая соль в органическом растворителе. Причем обычные литий-ионные батареи не могут похвастаться длительной работой, сохранением одинаковой работоспособности на протяжении всего жизненного цикла. Поэтому специалистам американской лаборатории захотелось большего.
Перебрав несколько вариантов, они решили провести эксперименты с фосфатом марганца-лития. Согласно теории, фосфат марганца-лития может обеспечить аккумулятору очень высокую емкость в 171 ма/ч на грамм материала, однако до сих пор ученым удалось приблизиться к показателю лишь в 120 ма/ч на грамм. Куда деваются целых 30 % емкости? Исследователи пришли к выводу, что дело в молекулярной структуре катода, которую надо усовершенствовать.
Для этого экспериментаторы смешали немного воска и мыла с компонентами электрода, доведя нагревание этой смеси до 400 °C. В результате парафин, состоящий из длинных прямых молекул, позволил молекулам металлов тоже выстроиться в «линии». А олеиновая кислота (компонент мыла) помогла равномерному распределению кристаллов из них. Выполнив свою благородную миссию, вспомогательные материалы испарились. А получившийся в результате катод показал на испытаниях 168 ма/ч на 1 г материала.
И хотя таких показателей удалось добиться лишь при медленной зарядке и разрядке усовершенствованного аккумулятора в течение двух дней, специалист по материаловедению Дейвон Чой и его коллеги поспешили заявить, что при такой емкости будущие батареи смогут весить меньше стандартных аналогов. Кроме того, обещано, что время зарядки будет сокращено, а сама методика еще усовершенствована.
Наконец, совсем недавно Альберт Михранян и его коллеги из Американского химического сообщества объявили о проекте создания легких, экологичных и недорогих батарей, полностью состоящих из неметаллических компонентов. Самым многообещающим материалом для создания сверхтонких батарей исследователи признали электропроводимый полимер полипиррол.
Раньше полипиррол считался коммерчески невыгодным из-за низкой энергоемкости, однако ученые нашли способ улучшить этот показатель в новых батареях.
Секрет состоит в том, что полипиррольное покрытие распределено внутри целлюлозы гомогенными нанослоями, толщина которых меньше диаметра человеческоговолоса в 50 тысяч раз! Данные слои пронизывают отдельные волокна целлюлозы, создавая пористый материал с отличной электропроводимостью.
Правда, мощность батарей пока настолько невелика, что использовать их можно лишь в самых экономичных устройствах. Тем не менее, бумажные аккумуляторы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед ионно-литиевыми батарейками. Во-первых, они характеризуются рекордной легкостью — всего несколько граммов веса на 3 мм толщины. А во-вторых, новые аккумуляторы заряжаются полностью меньше чем за минуту.
