Последние комментарии

  • Larisa
    Надо потренироваться Как заставить память запоминать всё, что вам нужно?
  • Геннадий Зенькович
    Скажу так, кратко написано, но  правдиво... И ещё. В прошлом году я был в Берлине, думал попаду в рай германский...Ан..."Чище, чем в Берлине". Санкт-Петербург глазами немцев
  • Финам.Инфо
    А строй рухнул благодаря Хрущу, Андропову, Суслову, и, кстати, Косыгину. Которые решили, что пора поменять лозунг и п...2019 – итоги года. Сталина уважают 70% россиян

Россия могла бы стать лидером в производстве аккумуляторов

Знаете ли вы, что лабораторию электрохимии Уфимского института химии УФИЦ РАН можно назвать мировым лидером в создании энергоемких аккумуляторов? Недавно ее сотрудники услышали очень хорошую новость.

На Петербургском международном экономическом форуме подписано соглашение с Фондом перспективных исследований, и одним из проектов, которые будут профинансированы в рамках начавшегося сотрудничества, станет создание высокоэнергоемких аккумуляторных систем - тот самый проект, над которым лаборатория трудится много лет.

…Раньше я не любила гулять по центральным улицам. Хотя их оживленность и яркие вывески магазинов обычно поднимают настроение, подышать чистым зимним, весенним или летним воздухом никак не удавалось - ведь в нескольких шагах то мчались, а то вставали в пробке сотни двигателей внутреннего сгорания. Теперь люблю ходить не дворами, а прямо вдоль проспекта Октября: трамваи, электробусы и электромобили не заполняют легкие выхлопными газами, а автомобили с ДВС - большая редкость: ведь их практически не выпускают. Ушли в прошлое и бензозаправки на каждом шагу: их сменили зарядные станции. Хотя гражданам, передвигающимся по собственному городу, и они не очень нужны: электромобиль стал одним из элементов энергосистемы дома.  Прибыв домой, владелец просто включает его в розетку - и умная машина сама запрашивает сеть (разумеется, смарт-сеть), когда энергия наиболее дешева и доступна, и заряжает аккумулятор как раз в это время. В многоэтажках зарядными станциями снабжены парковки.

Правда, мечта о 2030 годе - именно к этому времени все ведущие мировые автоконцерны намерены прекратить выпуск автомобилей с ДВС - выглядит заманчиво?

 

Я в синий троллейбус сажусь на ходу…

Автономные троллейбусы, или электробусы с динамической подзарядкой, способные ходить как под контактной сетью, так и без нее, наш трамвайно-троллейбусный завод выпускает уже сегодня. Пробег без сети - до 50 км. Теперь можно соединить с Уфой экологическим транспортом все строящиеся вокруг поселки: вложений нужно намного меньше, ведь основные затраты на электротранспорт - это затраты на контактную сеть.

Правда, насчет экологичности электробусов и электромобилей есть распространенное возражение: энергию для них все равно вырабатывают ТЭЦ, сжигающие те же углеводороды и выбрасывающие в атмосферу углекислый газ, сернистый ангидрид, окислы азота и золу. Но, во-первых, при использовании «сегодняшнего» автомобиля выхлопная труба находится прямо у нас под носом, а труба ТЭЦ - значительно дальше. Во-вторых, ее можно снабдить современными системами улавливания вредных веществ. А в-третьих, потребление энергии, в отличие от производства, идет неравномерно: утром и вечером - часы пик, днем и ночью - меньше. Неиспользованную энергию мы сегодня теряем. А могли бы опять-таки накапливать в аккумуляторах.

 

Сера как новая нефть

Устройства, позволяющие нам пользоваться множеством приборов - от смартфонов и фотоаппаратов до автомобилей - это и есть электрохимические аккумуляторы. И приборов, которые на них работают, в мире становится все больше. Так что усилия многих ученых мира сосредоточены на том, чтобы повысить их энергоемкость и снизить цену - в первую очередь для развития электротранспорта: сегодня энергоемкие аккумуляторы стоят очень дорого, что и препятствует широкому распространению автомобилей и троллейбусов будущего. О том, что изобрели в этой области уфимские химики, рассказывает заведующий лабораторией электрохимии - профессор, автор более 300 научных трудов и 70 изобретений Владимир Колосницын.

- На языке ученых энергоемкость называется удельной энергией - той, которая может быть запасена на единицу веса или объема. Удельная энергия литий-ионного аккумулятора сотового телефона (весовая) - около 150 ватт-часов на килограмм. Неплохо, но автомобиль на нем проедет всего 100-150 км. Это мало. Наилучшие аккумуляторы, которые сейчас выпускаются в мире, имеют удельную энергию порядка 200-250 ватт-часов на килограмм. Электромобиль «Тесла» способен проехать на таком 400-500 км. В принципе достаточно, но хотелось бы большего.

Удельная энергия аккумуляторов определяется свойствами используемых в них химических элементов. «Потолок» реально достижимой энергии литий-ионных устройств - 200-260 ватт-часов на килограмм. Более энергоемкие аккумуляторы могут быть созданы на основе лития и элементарной серы - с удельной энергией 400-600 Вт*час/кг и даже больше.

Дело еще и в том, что в новейших литий-ионных аккумуляторах материалом для отрицательного электрода служит углерод (графит особой марки), а для положительного - чаще всего литированный оксид кобальта. Кобальт на Лондонской бирже металлов сейчас стоит порядка 50 тысяч долларов за тонну (или 50 долларов за килограмм). Чем и объясняется их высокая цена.

Мы же используем в качестве активного материала положительного электрода элементарную серу, отрицательного - просто металлический литий. То есть наш аккумулятор - литий-серный. Сера - дешевый материал: в России в настоящее время ее производится около семи миллионов тонн, а используется только два. Откуда столько? Например, башкирская нефть отличается высоким содержанием серы. В процессе переработки она выделяется и складируется на заводах.

- Но сера не проводит электричество! Это же неметалл!

- Да. Но в ней запасено огромное количество энергии. И нам удалось заставить ее участвовать в реакциях накопления и генерации электроэнергии. Мы занимались этой проблемой с конца 1990-х. Недавно я переписывал свой диск: там было порядка 50 тысяч файлов с экспериментальными результатами. Значит, за 25 лет мы провели порядка 50 тысяч экспериментов.

На базе одной из созданных нами технологий английская компания Oxis Energy разработала литий-серные аккумуляторы (собственно, это мы их разработали - вся наша лаборатория 8 лет вахтовым методом трудилась в Оксфорде). И сейчас эта компания строит завод по их производству.

 

Химик + конструктор + программист

Процесс научного поиска продолжается. Магистрант УГНТУ Анна Мельникова укладывает в нижнюю половину прочного металлического корпуса темный пористый кружок - положительный электрод на основе серы, на него - мембрану (вы, конечно, помните, что принцип действия батарей и аккумуляторов - отсутствие прямого контакта между электродами). Затем заливается электролит, сверху укладывается отрицательный электрод - кружочек, вырезанный из литиевой фольги. Все манипуляции проделываются в специальном боксе: металлический литий активно реагирует с водой, содержащейся в воздухе, а сегодня (к примеру) относительная влажность воздуха - 40%. Верхняя половина металлического корпуса становится на место, и ячейка-прототип аккумулятора будущего подключается к батарейному тестеру, где, как и в жизни, будет разряжаться и вновь заряжаться - или, как говорят ученые, подвергнется зарядно-разрядному тестированию.

Батарейный тестер изобретен и создан здесь же и подключен к Интернету - таким образом сотрудники лаборатории, находясь в любой точке мира, могут наблюдать, что происходит в ячейках, и вмешиваться в процессы (что они и делают по несколько раз в день, как в будни, так и в праздники). Все программы для этого, кстати, тоже написаны местными химиками-универсалами.

- Каждый эксперимент нацелен на проверку какой-то новой идеи, новой гипотезы, - что введение в электрод (или в электролит) какого-нибудь нового компонента может дать эффект: улучшить работу литий-серного аккумулятора, - объясняет Анна. - То есть увеличить количество зарядно-разрядных циклов, повысить удельную энергию. В данном случае мы добавили кое-что новое и в положительный электрод, и в электролит. При самом удачном нашем эксперименте ячейка выдержала 1500 зарядно-разрядных циклов.

 

Ньютон бы заценил

В 1990-х годах вывозить российские технологии за рубеж, дорабатывать их и коммерциализировать было, можно сказать, модно. Именно для этого в Англии и создали небольшую компанию Intellicraft. Однако технология, которую они приобрели, не пошла, и тогда инвесторы потребовали от практически единственного оставшегося сотрудника найти другую российскую технологию, которую они могли бы развивать. И он нашел разработки команды Владимира Колосницына. В 2004 году они прошли первую проверку в Кембридже - в том самом Тринити-колледже, где некогда работал Ньютон. Англичане были впечатлены и начали вкладывать деньги в развитие компании, которая стала называться Oxis Energy (Oxford - Sulfur - Energy, «Оксфорд - Сера - Энергия»). За 15 лет в нее инвестировали около 60 миллионов фунтов (или 6 миллиардов рублей). И в настоящее время компания строит первый в мире завод по производству литий-серных аккумуляторов в Бразилии.

- А почему именно там?

- Они собираются производить аккумуляторы для электромобилей и рассчитывают, что там на них будет хороший спрос: в Бразилии

численность населения гигантская (более 200 миллионов человек); это юг, жара, и выхлопные газы очень отравляют существование. К тому же, чтобы построить аналогичный завод в Европе, денег нужно раз в 5-10 больше: в Старом Свете намного строже экологическое законодательство, дороже рабочая сила.

Сегодня мы сотрудничаем с английской же Sigma Lithium Ltd. - она тоже была создана не без нашего участия, с корейской LG Chemical, китайскими компаниями. Словом, мы делаем науку - они используют наши достижения для создания конечного продукта. Для того чтобы наши разработки использовались у нас, регулярно пишем различные программы и предложения. Но, например, наша лаборатория сегодня на три четверти обеспечивает себя сама. Четверть - это зарплата (причем у аспирантов и молодых ученых зарплата такая, что молодежь к нам не идет, на приобретение приборов и материалов деньги практически не выделяются), и три четверти - гранты РФФИ, РНФ и ФПИ - мы их получали неоднократно - и договоры с зарубежными компаниями. Вот за счет этого и можем продолжать работу.

 

Даешь свой аккумулятор!

- Может быть, нужно просто найти инвестора?

- Инвестор готов подключиться тогда, когда есть прототип продукта - иначе рисковать своими деньгами он не станет. А для разработки и изготовления прототипа аккумулятора тоже требуется сложное научное и технологическое оборудование. Скажем, что минимальная сумма, которая нам нужна - 300 миллионов рублей - это не так уж и много, но, к примеру, гранты Фонда Бортника - 15 миллионов на 3 года. Поэтому мы очень рады сотрудничеству с Фондом перспективных исследований.

Почему был выбран именно наш проект? Технологии производства высокоэффективных источников питания разных типов активно развиваются во всем мире, но литий-серные еще не доведены до массового выпуска. И, как правило, легче осваивать новую отрасль, создавать новый продукт, чем пытаться «догнать и перегнать» то, что уже хорошо развито. Словом, Россия могла бы стать лидером в производстве литий-серных аккумуляторов.

Вообще продвижение научных разработок в промышленность - мировая проблема. За рубежом для этого существуют венчурные фонды. Я беседовал с руководителями многих из них. Их средняя доходность - 6-7 процентов (это при том, что «выстреливает» где-то 20-30 процентов финансируемых проектов). А доходность в банке на депозите - 3-4 процента, поэтому граждане несут в эти фонды свои средства. Но 50 процентов средств там - от государства. Государству нужны новые технологии.

Также за рубежом создаются специализированные исследовательские центры. В Англии есть город Варвик, известный благодаря замку, построенному Вильгельмом Завоевателем. А еще там очень хороший технологический университет, где создана программа Catapult для переноса новых идей и разработок. Имеется и крупный центр разработки «батарейных» технологий, куда можно прийти с небольшим количеством перспективного вещества и сделать на его основе прототип аккумулятора, проверить его характеристики.

 

Шлейф возможностей

- Какие еще химические технологии мы могли бы развивать?

В советское время в газетах была такая рубрика: «Если б я был директором».

Так вот, еще мы могли бы развивать «химию для производства батареек» - в нашем нефтехимическом городе для этого есть все предпосылки. Сейчас лидером в этой отрасли является Китай. Конечно, что-то делается и у нас: на новосибирском заводе «Лиотех» (высокоемкие аккумуляторы для транспорта), на елецком ОАО «Энергия», на «Уралэлементе» в Верхнем Уфалее, на Саратовском аккумуляторном заводе. Но к каждому конечному продукту прилагается целый шлейф технологий. Наши заводы в основном работают на китайском сырье: электродные материалы у нас не выпускаются, электролиты - тоже. Допустим, в одном из видов литий-ионных аккумуляторов в качестве положительного электрода используется литий-железофосфат. Несложное соединение, мы вполне могли бы его производить и снабжать им Новосибирск и других производителей аккумуляторов.

А вы знаете, что в нашей республике много месторождений марганца? И хотя содержание элемента в руде там не очень высокое, мы можем выделять его и получать активный материал для положительных электродов первичных элементов (батареек).

Шахтные воды, рудные воды, затопленные карьеры содержат огромное количество металлов - меди, цинка, в принципе все это можно выделять. Есть Бурибаевский карьер, в котором вместо воды - медный купорос, ядовитейшее соединение. Мы предлагали поместить на озеро электродную систему на понтонах, поставить ветрячок для генерации энергии - и время от времени вытаскивать электроды и снимать с них медь, которая на Лондонской бирже идет от 1,5 до 2 тысяч долларов за тонну. Пока что никакое предприятие идеей не заинтересовалось.

А еще я обязательно внедрил бы использование возобновляемых источников энергии. Если лететь над Европой в ясный, солнечный день, что вы увидите? Вы увидите, как блестят крыши поселков от солнечных батарей и крутится огромное количество ветряков. Нам говорят, что все это не нужно, что источников энергии у нас достаточно, забывая о том, что территория огромная и чтобы доставить ее в какой-то небольшой поселок, нужны линии электропередачи. Они недешевы. Дешевле поставить ветрячок, солнечную панель и аккумулятор, чтобы иметь неиссякаемый источник энергии. 

 

Бизнес по спасению ежиков

С проблемой утилизации использованных элементов питания сталкивается каждый: многие мои знакомые уже не решаются просто бросать батарейки в мусорное ведро - все слышали, как они опасны для ежиков и дождевых червей. Конечно, в городе есть оранжевые боксы, куда их можно выкинуть вместе со ртутными лампами, но еще лучше боксы нового образца, где для батареек имеется отдельный «вход». Но таких пока очень мало.

А, например, на химическом факультете БашГУ батарейки собирают и отвозят на перерабатывающий завод в Челябинск. Насколько выгодна переработка батареек и можно ли построить такой завод у нас?

- Из батареек в вашем диктофоне можно извлечь марганец и цинк, - отвечает Владимир Колосницын. - Можно собирать и литий-ионные, литий - еще более дорогой элемент - но их меньше. Перерабатывают батарейки обычно на заводах с близким технологическим циклом (например, в Челябинске есть цинковый завод). Но чтобы перерабатывать было выгодно, нужен объем сырья от 1000 тонн в месяц. Теперь давайте очень грубо посчитаем: в Уфе 1 миллион жителей. Допустим, у каждого из них 1 раз в месяц появляется отслужившая свое батарейка - она весит примерно 50 грамм. 50 000 000 грамм - это 50 тонн. Всего. Так, может быть, лучше наладить систему сбора и стать региональным партнером существующего завода? Ведь мы боремся не только за выгоду от переработки, но и за то, чтобы тяжелые металлы из элементов питания не оказывались на свалках, не загрязняли почву и воду.

Но наладить систему сбора не так-то просто. Наиболее перспективной мне представляется система залоговой платы: гражданин сдает пять использованных батареек - получает одну новую, продавец продал 100 новых - обязан вернуть 100 использованных.

Вообще это проблема архиважная. Законодательством определено, что производитель должен утилизировать батарейки и аккумуляторы, которые он произвел. Но ни на одном из наших заводов нет цехов по утилизации! Хотя технология несложная. Нужны инвестиции, а у нас сейчас инвесторы настроены, можно сказать, на 100% прибыли. На Западе бьются за 7-10%, а наших такие цифры не привлекают! И как вы думаете, где окажутся, отработав свой срок, аккумуляторы для электробусов, светосигнальных систем, теле- и радиоаппаратуры (и это только произведенные у нас, не говоря уже об импортированных)?

Екатерина КЛИМОВИЧ.

Популярное в

))}
Loading...
наверх