Как увеличить объем энергии, который способны хранить литий-ионные батареи? Можно ли использовать аккумуляторы для передачи электричества в сеть? Каким будет накопитель будущего? Об этом в интервью Софье Морган, представляющей «Глобальную энергию», рассказал И Цуй, профессор материаловедения и инженерии Стэнфордского университета, недавно вошедший в шорт-лист премии ассоциации.
— В нынешнем году вы были номинированы на премию «Глобальная энергия» за исключительный вклад в разработку наноматериалов и новации в области аккумуляторных батарей. Эта область знаний сильно изменила как отрасль накопления энергии, так и повседневную жизнь: литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы используются в мобильных телефонах, а литий-титановые — в электромобилях. Какой, по вашему мнению, будет «батарея будущего»?
— На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы доминируют в бытовой электронике и электротранспорте. Думаю, что системы на основе лития будут и дальше преобладать в производстве электро-автомобилей, автобусов и других машин. Однако уже сейчас мы задаемся вопросом: «Как можно увеличить объём энергии?».
В последние десять лет я изучал использование новых материалов и нанотехнологий для удвоения плотности энергии углеродных литий-ионных батарей. Анализы показывают, что батареи также могут использоваться для хранения солнечной энергии и последующей передачи электричества в сеть. Пока не ясно, под силу ли эта задача литий-ионным батареям: может быть, да, а, может быть, и нет. Нельзя исключать, что в будущем для этого будут использоваться иные виды батарей, с гораздо лучшими характеристиками, чем литий-ионные. Для их появления потребуются новации в химии батарей, которые обеспечат хранение энергии с гораздо меньшими затратами и гораздо более длительным сроком службы — этой областью исследований я также занимался в последние годы.
— Расскажите подробнее, пожалуйста, как вам удалось совершить революцию в области аккумуляторных батарей с помощью новых материалов, позволивших десятикратно увеличить емкость хранения заряда.
— Как работают литий-ионные батареи? Чтобы накапливать энергию, необходимо накапливать заряды, то есть накапливать литий. В существующих литий-ионных батареях графит используется в качестве анода (это отрицательный электрод, оксид кобальта лития), а фосфат иона лития — в качестве катода.
Чтобы накапливать кратно больше энергии, необходимо накапливать кратно больше зарядов, то есть ионов лития и электронов. С этой задачей справляются новые материалы на основе твердого графика (к примеру, кремний), которые могут использовать в 10 раз больше зарядов, нежели углерод графита, используемый в качестве анода. Соответственно, если вы замените графит в качестве анода, то вы увеличите удельное количество зарядов на стороне анода в 10 раз.
Безусловно, нужно позаботиться и о стороне катода. Если вы сможете увеличить количество зарядов в 10 раз, например, используя серу в качестве катода, то вы значительно увеличите плотность энергии батарей. Но вам все равно будет необходимо учитывать напряжение. С помощью кремния, металлического литиевого анода и серного катода вы можете увеличить плотность энергии углеродных батарей в три и более раз. Вот так с помощью новых материалов и нанотехнологий можно разрешить некоторые дилеммы материаловедения.
— Если говорить о литии, ощутили ли вы какие-либо последствия недавних политических потрясений в Боливии, которая является основным производителем этого металла?
— Доступность лития, конечно, вызывает беспокойство — то же самое можно сказать и в отношении кобальта, как с точки зрения цен, так и вопросов геополитики. Запасы лития есть в ограниченном количестве стран, и мировому сообществу необходимо понять, как взаимодействовать, чтобы литий был доступен для революции в области чистой энергии и борьбы с изменением климата. Человечеству также необходимо изучить нетрадиционные источники лития: речь идет как о подземных соленых озерах, в которых вода содержит литий, так и мировом океане, содержащем бесконечное количество лития (правда, его концентрация мала). В последние пять лет наша лаборатория работала над извлечением лития из океана, эта технология выглядит многообещающей.
— Помимо доступности лития, другой болевой точкой отрасли является экология: сюда относится и производство графена, которое не всегда может быть экологически чистым, и проблема утилизации аккумуляторов в целом. В этой связи, насколько оптимальным решением может быть использование анода из нержавеющей стали, покрытого, к примеру, кремниевыми нанопроволоками.
— В целом, это вопрос экономики замкнутого цикла, начиная от производства батареи и ее первичного использования до переработки и повторного применения. Для энергетики масштаб выгоды от «замкнутых» решений стол велик, что всем участникам производственной цепочки стоит подумать об их применении.
— Насколько эффективными могут быть аккумуляторы будущего? Сможем ли мы, например, отправлять небольшие коробки, содержащие сотни мегаватт или даже гигаватт энергии (своего рода power-банки), в отдаленные регионы планеты?
— Это интересный вопрос. В случае батарей невозможно знать, достигли ли мы уже фундаментального предела, и какая химия батарей — на основе химический или электрохимической реакции — является предпочтительным. Для развития электрического наземного транспорта технологическая база уже есть. Иная ситуация — в воздушном транспорте: для совершения межконтинентального авиаперелета потребуется в 100 раз больше энергии, чем тот объем, который способны хранить современные батареи.
— Будущее непредсказуемо. Я надеюсь, что однажды, может быть, мы увидим такую технологию.
— Да, я в восторге от этого. Был бы рад, если бы эту технологию кто-нибудь мог изобрести.
— Насколько мне известно, Стэнфордский университет изобрел самовосстанавливающуюся батарею. Расскажите о ней.
— Эта разработка — плод моей совместной работы с профессором Чжэнь Ань Бао. Нашей задачей было создание самовосстанавливающегося полимера — полимерной цепи, которая при низкой температуре может перемещаться, образуя водородную связь: будучи обратимой, водородная связь после разрыва может формироваться вновь. Точно так же и с батареями: если раньше при растрескивании батареи ждала неизбежная смерть, то теперь, благодаря созданному нами полимеру, их можно использовать вновь. Это действительно захватывающе: чем-то поминает человеческое тело, которое обладает способностью самоисцеления.
— Все лучшее мы берем из природы, как, например, искусственные листья или все та же самовосстанавливающаяся батарея. Нужна ли для описанной вами полимерной цепи какая-то определенная температура?
— Проектирование полимерной цепи может быть очень захватывающим, поскольку это можно делать как для низкой температуры, так и для диапазона температур, а точнее, «заложить» изменение температуры при движении полимерной цепи.
— Звучит действительно захватывающе!
