Ђ„ерез 10Ч20 лет мы все будем ездить на электромобил€хї

Ђ„ерез 10Ч20 лет мы все будем ездить на электромобил€хї

ѕочему до 2005 года широкое производство электромобилей было невозможным, что сделали нанотехнологии дл€ усовершенствовани€ аккумул€торов и на каких электромобил€х мы будем ездить через 10—20 лет, рассказывает заведующий кафедрой электрохимии химфака ћ√”, член-корреспондент –јЌ ≈вгений јнтипов.

—правка NNN: ≈вгений јнтипов – член-корреспондент –јЌ, зав. кафедрой электрохимии ’имического факультета ћ√”. ¬ыпускник ’имического факультета ћ√” (1981), кандидат химических наук (1986), доктор химических наук (1998), профессор, зав. лабораторией неорганической кристаллохимии, зав. лаборатории фундаментальных исследований проблем получени€ алюмини€, зав. кафедрой электрохимии. ќбласти научных интересов: неорганические материалы дл€ электрохимических источников энергии (литий-ионные аккумул€торы и топливные €чейки), создание инертных анодных материалов дл€ производства алюмини€, магнитные и сверхпровод€щие неорганические материалы. јвтор более 270 научных публикаций, индекс цитировани€ – около 4000, индекс ’ирша – 28. „лен редакционных коллегий р€да ведущих российских и международных научных журналов.

Ёлектромобили вчера и сегодн€

Ћетом 2007 года среди американских студентов провели опрос: их попросили назвать дес€ть главных угроз устойчивому развитию человеческой цивилизации. Ќа первом месте, по их мнению, оказалась проблема исс€кани€ невозобновл€емых природных ресурсов. Ёнерги€ термо€дерного синтеза — это пока далекое будущее, а доступные сейчас возобновл€емые источники энергии (ветер, солнце, приливы) дают энергию, во много раз более дорогую, чем природное топливо. ѕодсчитано, что

если покрыть солнечными батаре€ми всю территорию „ада, этой энергии будет достаточно, чтобы покрыть все потребности человечества к 2050 году.

ќднако и ветер, и —олнце, и приливы — это источники циклического действи€. ѕоэтому их энергию необходимо накапливать с наименьшими потер€ми, то есть дл€ этого нужны высокоэффективные аккумул€торы.

— другой стороны, от бензиновых двигателей страдает экологи€ больших городов. Ёлектромобили привлекательнее с точки зрени€ сохранени€ здоровь€ людей:

в ≈вропе уже есть города, куда можно приехать только на электромобиле, но пока это только города дл€ состо€тельных людей в јльпах, например известный горнолыжный курорт ÷ерматт в Ўвейцарии.

–еальность такова, что мы не сможем уйти от использовани€ ископаемых источников энергетического сырь€ в ближайшее врем€, поэтому перед нами стоит еще одна задача — использовать энергию как можно более эффективно и экономно. » дл€ достижени€ этой цели тоже необходимо примен€ть аккумул€торы.

¬недрение электромобилей — возможность принципиально повысить эффективность использовани€ энергии.

ƒл€ сравнени€: эффективность двигател€ самого современного двигател€ Audi 4.2 L при мощности в 326 л. с. составл€ет всего 40%, а эффективность передачи энергии от топливного бака к колесу — 20%. Ёффективность мотора электромобил€ мощностью 320 л. с. — более 90%, при близкой (90%) эффективности передачи энергии от аккумул€торных батарей к колесу.

Ёнергоэффективность электромобилей св€зана и с их экономической привлекательностью при эксплуатации.

ќдин из коммерчески доступных сейчас электромобилей на литиевых аккумул€торах — Nissan Leaf — по цене на милю пробега обходитс€ в три раза дешевле современных автомобилей с двигателем внутреннего сгорани€ (учитыва€ только энергозатраты).

Nissan Leaf с 2010 года продаетс€ в —Ўј и с прошлого года — в ≈вропе. ≈го аккумул€тор весит 300 кг, мощность — 120 л. с., средний пробег на полной зар€дке аккумул€тора — 150 км, скорость — до 150 км/ч. ќт обычной розетки он зар€жаетс€ семь часов, от специальной станции — тридцать минут. ќн оснащен аккумул€тором, где в качестве катода используетс€ LiMn2O4.

—ейчас планы большей части автомобильных компаний таковы, что за гибридами первого и второго поколений в 2012—2013 годах большинство серьезных игроков планируют вывести на рынок полноценные электромобили.

“аким образом,

нет сомнени€, что через 10—20 лет многие из нас будут ездить на электромобил€х.

“енденции рынка отражают привлекательность электромобилей.

ѕерспективы рынка литиевых аккумул€торов выгл€д€т сейчас очень многообещающе: в течение ближайших 10 лет их производство в ценовом исчислении увеличитс€ более чем в п€ть раз. Ёффективность инвестиций в этом секторе будет составл€ть 22% годовых на период до 2019 года.

«јккумул€торные технологии — один из самых важных аспектов, определ€ющих технологическое будущее человечества», — считает „арли ћунгер, вице-президент компании «Ѕеркшир», которой владеет ”оррен Ѕаффет.

ќсновной вклад в этот рост отрасли — до 40% к 2019 году (прирост инвестиций — 80% в год) — будут давать электромобили. ќстальное — это портативна€ электроника, крупные накопители энергии и робототехника.

—тоит отметить, что

до 2005 года производство электромобилей дл€ широкого использовани€ было невозможным.

ѕочему же сейчас они стали реальностью? ƒл€ этого нужно разобратьс€, как действовали литиевые аккумул€торы прошлого и как работают современные аккумул€торы.

јккумул€торна€ нанореволюци€

„тобы пон€ть это, разберемс€ с устройством обычного аккумул€тора, где в качестве анода используетс€ графит, а в качестве катода — кобальтат лити€ (см. рисунок ниже). Ёти два электрода разделены электролитом, который может проводить только ионы лити€, но не обладает электронной проводимостью (перенос электронов происходит только по внешней цепи, котора€ и служит источником питани€ дл€ соответствующих устройств).

ev1b.jpg –ис. 1. ”стройство литий-ионного аккумул€тора//≈вгений јнтипов.

ѕри зар€дке аккумул€тора ионы лити€ уход€т из соединени€ LiCoO2, двига€сь через электролит к аноду. ќни встраиваютс€ в структуру анода с образованием графитита лити€ (LiC6). —тепень извлечени€ ионов лити€ из катода составл€ет около 50%.  огда мы замыкаем внешнюю цепь, происходит обратный процесс. »оны лити€ из анода (восстановител€) перенос€тс€ в катод (окислитель), и одновременно во внешней цепи электроны движутс€ в том же направлении (так достигаетс€ обща€ электронейтральность процесса), и создаетс€ электрический ток. ¬ этом случае разность потенциалов двух электродов составл€ет примерно 3,6 ¬.

√лавна€ характеристика аккумул€тора — количество энергии, которое можно запасти на единицу массы.

≈сть два пути повысить эту величину: увеличить разность потенциалов между электродами либо уменьшить молекул€рную массу электродов и/или увеличить количество электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе, на единицу массы электрода.

¬первые предложил использовать LiCoO2 в качестве катодного материала дл€ аккумул€тора ученый из —Ўј ƒжон √уденаф в 1980 году.

ѕочему таким успехом пользуютс€ именно аккумул€торы на литии?

ќдна из причин такой попул€рности — электролит. Ќеобходимо, чтобы электролит аккумул€тора был устойчив при рабочей разности потенциалов. »менно поэтому дл€ этого не подходит вода: дл€ нее «окно электролита» — всего 1,23 ¬. ѕри превышении этого значени€ происходит либо ее окисление с выделением кислорода, либо восстановление с выделением водорода, то есть практически невозможно уйти за 2 ¬.

ќрганические Li-электролиты выдерживают разницу потенциалов до 4 ¬, твердые электролиты — до 10 ¬.

≈сли при работе аккумул€тора электролит будет окисл€тьс€, может произойти взрыв.

»менно поэтому электроды должны работать в области стабильности данного конкретного электролита, и дл€ лити€ такой электролит (растворы солей лити€ в органических апротонных растворител€х) был найден.  роме этого, от электролита требуетс€ высока€ электропроводность по ионам лити€ — это позвол€ет избежать потерь энергии. » самое важное — ион лити€ по размеру маленький, поэтому он легко перемещаетс€, высвобожда€сь из одной кристаллической структуры и встраива€сь в другую.  огда он внедр€етс€ или извлекаетс€, не происходит больших объемных изменений. Ёто можно сравнить с тем, как маленька€ собачка выбегает из конуры и вбегает в нее — конура остаетс€ целой, а если туда зайдет слон, то конура сломаетс€. јналогичным образом при высвобождении лити€ из структуры электродов объемные изменени€ не превышают 5—10%, а в случае натри€ они уже составл€ют более 20%. ѕоэтому натриевые электроды будут разрушатьс€, трескатьс€, механически ломатьс€. ≈ще один плюс лити€ — это однозар€дный катион, и он образует относительно слабые св€зи. Ќебольшой по размеру и недорогой алюминий был бы перспективен, но это трехзар€дный катион, то есть образует намного более прочные химические св€зи и не может легко высвобождатьс€.

“еперь переходим ко второму компоненту катодного материала — кобальту. ¬ состав катода должен входить переходный металл, который может окисл€тьс€ при извлечении иона лити€ из структуры дл€ сохранени€ электронейтральности. » это должен быть легкий металл (к счастью, легкие металлы, как правило, самые дешевые), а сам катод должен характеризоватьс€ высокой электронной проводимостью.  роме того, дл€ работы аккумул€тора нужен быстрый транспорт ионов лити€, иначе мы не сможем быстро зар€жать и разр€жать его, то есть не сможем достичь нужных мощностных характеристик.

ev2b.jpg –ис. 2. ќсновные типы литий-ионных аккумул€торов//≈вгений јнтипов.

—егодн€ используютс€ три основных материала дл€ катодов.

LiCoO2 есть в кармане каждого из нас — в мобильном телефоне. LiMn2O4 — это катодный материал аккумул€торов первого электромобил€ — Nissan Leaf.

ћатериал на основе LiFePO4 со структурой оливина был открыт в качестве катода литий-ионного аккумул€тора 15 лет назад и сейчас считаетс€ самым перспективным материалом, который в будущем совершит электромобильную революцию.

—реди тройки «кобальт, никель, железо» кобальт — самый дорогой, его распространенность в земной коре — наименьша€, он €довитый и экологически вредный.  роме того, у аккумул€торов на основе LiCoO2 есть верхний предел по допустимой емкости: до 50% ионов лити€ можно извлекать из структуры соединени€. ≈сли из него извлечь весь литий, структура становитс€ нестабильной.  обальт переходит в степень окислени€ +4 и может окисл€ть кислород, выдел€ющийс€ атомарный кислород окисл€ет электролит, и происходит взрыв. ѕоэтому ни в коем случае нельз€ покупать такие аккумул€торы с декларируемой повышенной емкостью, потому что это вещество с малым содержанием лити€ (менее 50%) крайне взрывоопасное. Ётот риск есть, даже когда мы извлекаем небольшое количество лити€. ≈сли в структуре имеютс€ какие-либо дефекты, извлечение будет неравномерным, и при извлечении всего лити€ из одного сло€ в структуре может произойти катастрофически быстрое разрушение аккумул€тора. »менно поэтому

аккумул€торы, подобные аккумул€торам в мобильных телефонах, нельз€ использовать в больших устройствах и они не могут работать в электромобил€х.

ѕоэтому дл€ более мощных устройств были начаты поиски другого катодного материала, и в 1997 году ƒжон √уденаф предложил использовать LiFePO4. ќн дешевый — этот минерал (трифилит) есть в земной коре и не создает никаких экологических проблем. Ќо у него очень плоха€ электронна€ проводимость, то есть это изол€тор.  роме того, у него очень низкий коэффициент диффузии ионов лити€: дл€ извлечени€ этих ионов из структуры соединени€ при зар€дке аккумул€тора требуетс€ очень большое врем€ в случае использовани€ частиц катодного материала размером более микрона.

≈ще в 2002 году в авторитетнейшем научном журнале Nature опубликовали статью, где утверждалось, что этот материал не имеет никакого будущего с точки зрени€ промышленного использовани€.

“ем не менее он безопасен и с точки зрени€ взрывоопасности: из него не может выделитьс€ кислород, так как он весь очень прочно св€зан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона.

–ешение пришло со стороны новой сферы науки — нанотехнологий.

≈сли этот материал раздробить на очень маленькие частички, то это критически уменьшит необходимое врем€ извлечени€ лити€. „астички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направлени€ движени€ ионов лити€ и покрыли нанометровым слоем углерода (теперь это уже наноструктурированные композитные материалы). Ётот механизм модификации был предложен в 2005—2007 годах в ћассачусетском технологическом институте (ћ»“).

Ёто позволило чрезвычайно быстро извлекать литий из LiFePO4, сохранив его преимущества с точки зрени€ экологии и безопасности. —ейчас идут активные патентные войны за правообладание этой технологией.

“акие наночастицы LiFePO4 можно зар€жать за 10 минут, а если модифицировать покрытие — и за 1—3 минуты. ћатериал очень устойчивый, и электромобиль на нем сможет работать до 10 лет. ”же сейчас реализован цикл зар€дки-разр€дки в течение 5—10 минут — и это на совершенно безопасном материале.

ѕодвод€ итог, можно сказать, что с точки зрени€ науки проблемы того, чтобы быстро запасать (или использовать) много энергии, причем дешево и безопасно, в той или иной мере решены. —ейчас слово за широким технологическим внедрением этих разработок, которые позвол€т электромобил€м стать основным видом транспорта в городах в ближайшем будущем.

  • ƒата публикации: 27.07.2012
  • 1930
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150