Одной из главных причин, по которым электромобили до сих пор уступают по своим характеристикам традиционным бензиновым и дизельным авто, является недостаточная плотность энергии используемых в настоящее время аккумуляторов. И все попытки ученых и инженеров кардинально повысить этот параметр пока не увенчались успехом, хотя определенный прогресс за последние десятилетия безусловно имеется. Тем не менее, даже самые энергоемкие из используемых массово батарей — литий-ионные, еще не могут обеспечить такую же дальность поездки без перезарядки, как машины с двигателем внутреннего сгорания на одной заправке бензобака. И это не говоря о повышенной опасности таких батарей — литий является химически активным элементом, поэтому батареи нередко самовозгораются и взрываются, представляя угрозу для окружающих.
Новый материал повысит энергоемкость батарей
Неудивительно, что специалисты во всем мире продолжают поиски более безопасной и энергоемкой альтернативы, которая бы сделала электромобили более выгодными для их владельцев. Такие исследования ведутся во многих странах и Россия не составляет исключения. НИЦ «Курчатовский институт» активно занимался решением проблемы и вот его ученым удалось добиться определенного успеха, применив в конструкции батареи новый материал. Им стал восстановленный оксид графена, позволивший поднять максимальную удельную плотность энергии примерно на 17%. Он стал основой катализатора для топливных элементов, в конструкции которых применена протонобменная мембрана — такие батареи сегодня чаще всего устанавливают на беспилотниках.
На поверхность оксида графена наносится покрытие из наночастиц платины, которое требует гораздо меньше этого драгоценного металла, чем в традиционных устройствах. Таким образом, также весьма заметно снижается стоимость новых топливных элементов, ведь мировая цена платины сегодня довольно высокая — один ее грамм стоит примерно 2.5 тысячи рублей. Кроме того, существенно повысилась и стабильность катализатора.
Что бы пояснить значимость новой разработки, стоит немного рассказать о топливных элементах. Их назначение — преобразование химической энергии используемого топливо в электричество. Конструктивно они достаточно простые и состоят из двух электродов с расположенной между ними протонпроводящей мембраной, выполняющей роль электролита. При этом, на поверхностях электродов восстанавливается кислород и окисляется водород, мембрана переносит протоны между электродами, а электроны уходят во внешнюю цепь, производя таким образом электроэнергию. Для увеличения скорости этого процесса и применяют катализаторы, что позволяет увеличить плотность тока и поднять удельную мощность батареи.
Внедрение новинки уменьшит себестоимость топливных элементов
На сегодняшний день именно топливные элементы имеют наиболее высокую удельную мощность, превышающую даже литий-ионные батареи. Кроме того, они гораздо безопасней и намного экологически чище, поскольку побочным продуктом выработки электроэнергии является обыкновенная вода. Именно поэтому конструкторы электромобилей и БПЛА активно устанавливают их на своих изделиях и сейчас можно точно сказать, что значение разработки российских ученых очень велико. Ведь на мировой рынок уже выходят электромобили, использующие такой источник электроэнергии.
Однако, эффективность топливных элементов без катализатора резко падает, а использовать в качестве таковых можно только стойкие к кислой среде металлы. Лучше всего здесь подходит платина, но она слишком дорогая и поэтому ее наносят в виде наночастиц на носитель из углерода (чаще всего обычную сажу). Но он достаточно быстро деградирует, что ограничивает ресурс работы батареи.
Именно поэтому в Курчатовском институте и предложили использовать производную графена — его восстановленный оксид. После длительных опытов ученым удалось подобрать оптимальную плотность платиновых наночастиц и получить материал, в котором платины на порядок меньше, причем, без какого-либо снижения характеристик топливного элемента. Наконец, новинку можно использовать в нефтехимической и химической промышленности, а также других сферах.
