Электротранспорт уже не просто мода, а настоящий конкурент традиционным автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Однако, история этой конкуренции началась не сейчас, а больше ста лет назад. Почему ДВС практически на целый век заставил забыть нас об аккумуляторных средствах передвижения, несмотря на то что уже в XIX веке электрокары разгонялись до 100 км/ч, как литий-ионные батареи вдохнули в них новую жизнь, и какими отличительными чертами должен обладать электротранспорт будущего, рассказал профессор Сколтеха Станислав Федотов.
История
Первый электротранспорт появился задолго до наших дней, примерно в середине XIX века. Самоходные тележки, как их именовали тогда, приводились в движение электромотором, который был запитан гальваническими элементами - химическими источниками тока первого рода, т.е. однократного использования. На таком источнике энергии транспорт мог проехать совсем небольшое расстояние, но то, как колесница двигается без какого-то обозримого тягача, производило на людей того времени магическое впечатление.
Первые существенные прототипы электротранспорта появились ближе к концу XIX века во Франции и Бельгии, а один из экземпляров мог даже разгоняться до 100 км/ч. В те же годы русский изобретатель Ипполит Романов в Гатчине представил свой вариант самоходной кареты «Кукушка». История названия вызывает споры: одна теория отсылает нас к тому, что пассажир, как и кукушка, входил и выходил в транспорт в небольшую дверцу в носовой части кареты; другая — что во время езды агрегат издавал звук, похожий на кукование. Романов создал целый модельный ряд электротранспорта, одна из моделей представляла из себя первый электробус, названный омнибусом (Omni на латыни — «всё», «всё в одном»).
Аккумуляторы
Появление электротранспорта в это время связано с развитием химических источников тока второго рода — аккумуляторов. В XIX веке Гастон Планте разработал свинцово-кислотный тип аккумуляторов. Он был очень прост и по виду, и по архитектуре, представляя собой два электрода из свинца/оксида свинца, опущенных в кислоту. Позже его значительно модифицировал другой учёный — Камилл Фор. По сей день большинство стартерных аккумуляторов для автомобилей именно свинцово-кислотного типа. Эта технология также массово применяется в системах, которые поддерживают работу вышек мобильной связи, источниках бесперебойного питания и т.д.
Почему же после такого бума люди надолго забыли об электротранспорте? По мнению профессора Станислава Федотова, ключевую роль в этом сыграло нефтяное лобби. В начале XX века стали популярны двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине. В сравнении с электротранспортом, который мог проехать на одном заряде до 60 км и сложно заряжался (нужно было изобретать системы, которые эффективно преобразовывали переменный ток в постоянный), ДВС в свою очередь обеспечивал быструю заправку и пробег на одном баке 300-800 км.
Чтобы вернуть электротранспорту конкурентоспособность, нужно было разработать продвинутые аккумуляторы, чем учёные и инженеры занимались весь XX век. Современные литий-ионные аккумуляторы по сравнению с свинцово-кислотными в пять раз превосходят их по способности запасать энергию, а также по удельной массовой и объёмной энергоёмкости. Значительно вырос и параметр мощности, а значит, аккумуляторы стали быстрее заряжаться и отдавать свой заряд, что критически важно для электротранспорта.
В этом плане мы обязаны троим учёным: Джону Гуденафу, Стенли Уиттингхему и Акире Йошино. Именно они с 70-80-х годов разрабатывали литий-ионные аккумуляторы. Несмотря на то что коммерциализация их разработки началась в 1992 году, Нобелевская премия нашла своих героев только в 2019 году. Благодаря большой мощности и компактным габаритам этого типа аккумуляторов мы можем пользоваться такой миниатюрной носимой электроникой, как смартфоны, беспроводные наушники и умные часы. Это произвело настоящий прорыв в электронике и послужило драйвером развития электротранспорта. Одни из первых моделей современных электромобилей были сконструированы именно с литий-ионными аккумуляторами. Интересно, что в одной из первых своих моделей Tesla использовала т.н. “компьютерные” аккумуляторы, выполненные в форме цилиндра, очень похожие на пальчиковые батарейки, но большего размера. Такие аккумуляторы тогда можно было легко найти в ноутбуках, а в настоящее время в пауэрбанках.
При чём здесь кристаллохимия?
Кристаллохимия связана непосредственно с работой и архитектурой литий-ионных аккумуляторов, которые состоят из трёх основных компонентов: двух электродов (катод и анод), пропитанных/погружённых в электролит, который в свою очередь обеспечивает транспорт носителей заряда (ионов лития) между этими электродами.
Ионы лития в такой слоистой кристаллической структуре занимают пространство внутри графита и оксида кобальта лития (LiCoO2), двигаясь из одного электрода в другой и обратно. Т.е. в процессе заряда, литий из катода переносится в графит, в процессе разряда литий возвращается, а электроны, которые сопутствовали этому процессу, работают во внешней цепи. Такой аккумулятор, за счёт двух принципиально отличающихся от тяжёлого свинца материалов, стал легче и запасал больше энергии, которая определяется рабочим напряжением, умноженным на физическую удельную ёмкость.
Рассмотрим подробнее эти материалы.
Несмотря на то что нашим глазам графит представляется порошком, взглянув на него через микроскоп, мы увидим плотно свёрнутые частицы, которые на атомарном уровне состоят из слоёв. Именно благодаря слоистой структуре графит может обратимо внедрять ионы лития — в науке это называется интеркаляцией: в этом процессе ионы лития встраиваются в межплоскостное пространство графитовых пластин, откуда их можно легко извлечь.
С той же слоистой структурой Джоном Гуденафом был придуман катодный материал. В нём литий запасается между слоями (но более сложными) кобальта CoO2, и также обратимо внедряется в него и извлекается. Структура этого простого оксида LiCoO2 очень близка к структуре обычной поваренной соли. Будучи в том числе и кристаллохимиком, Гуденаф, предложив использовать такое слоистое соединение с его оригинальной кристаллической структурой, получил резкое увеличение напряжения в ячейке и ёмкости по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Развитие катодных материалов привело к более сложным составам, которые регулярно обеспечивают рост ёмкости. Но по сей день в телефонах и электротранспорте в качестве части аккумулятора мы наблюдаем именно этот материал.
Модификации катодного материала направлены не только на изменение его химического состава, но и на изменение архитектуры его частиц, которые представляют собой сферические образования. Здесь в игру вступает не только химия, но и химическое материаловедение, и даже механика. Очень важно правильно организовать сферическую частицу, чтобы при взаимодействии с ионами лития она не фракционировалась (не разрушалась на кусочки). Поэтому учёные создали её в оригинальном радиально-ориентированном виде. Последние достижения в длительности и эффективности работы аккумуляторов связаны именно с модификацией таких маленьких частичек, играющих роль катодного материала.
В 1997 году Джон Гуденаф предложил ещё одно соединение для катодного материала, но не со слоистой структурой, а с каркасной — LiFePO4 (литий-железо-фосфат). Ионы лития в такой структуре находятся в тоннелях, или каналах, из которых они могут обратимо извлекаться, но при меньшем потенциале. С практической точки зрения соединение имеет преимущества, т.к. кобальт заменяется на более доступное и нетоксичное железо, а каркасная структура, связанная по всем трём направлениям, более устойчива, чем слоистая. Поэтому такой материал обеспечивает более высокий уровень безопасности при меньших затратах.
Благодаря таким вот небольшим шагам науки в разработке катодных и анодных материалов и произошло резкое развитие аккумуляторов и повышение эффективности электротранспорта. Развитие кристаллохимии, возможно, поспособствует открытию новых ниш применения аккумуляторов и, как следствие, новых видов электротранспорта.
Электротранспорт будущего
Сейчас около половины стоимости электромобиля приходится на аккумулятор. Поэтому логично, что для широкого развития электротранспорта нужно снизить его стоимость, а конкретно — стоимость аккумуляторов. Этого можно достичь, например, перейдя от лития к более дешёвым компонентам. Сейчас добыча лития достаточно затратна, а его залежи разбросаны в разных частях света (в Латинской Америке, Австралии, США, немного в России), в то время как основная масса находится в океане.
Решить эту проблему можно с помощью перехода к распространённому натрию, а также замены элементов, которые использовались в литий-ионных аккумуляторах (кобальт, никель, медь), на более доступные — железо, алюминий, марганец, титан, фосфор и ванадий. В последние годы появляются стартапы, которые занимаются натрий-ионными аккумуляторами. Однако за трендами не отстают и такие гиганты отрасли, как CATL, строя заводы по производству аккумуляторов на основе химии натрия. Но своей целью они ставят не замену литий-ионных систем, а распространение электротранспорта по всему земному шару.
Наверняка вы видели новости о возгорании электромобилей. Причина в третьем элементе аккумулятора — электролите, который представляет из себя легковоспламеняемую жидкую органическую субстанцию. Сейчас с этим борются различными модификациями, внося разные пламегасители и используя фторирование. Но есть и другой вариант — заменить жидкий электролит на твёрдый.
Также электротранспорт будущего будет отличаться разнообразием. Уже сейчас встречаются прототипы электросамолётов, вертолётов, а также разрабатываются специальные электропоезда, которые никак не соединены с контактной сетью. И таких примеров с каждым годом будет всё больше.
