На Выставке V Конгресса молодых учёных, состоявшегося в рамках Десятилетия науки и технологий, удалось прояснить вопрос о надёжности и износостойкости кремний-углеродных аккумуляторов, а также узнать, что в их основе также лежит литий, как и в классических литий-ионных батареях.
Каждому школьнику старших классов известно, что металл Li - литий относится к первой группе элементов периодической системы Д.И. Менделеева. То есть у атома лития всего 1 свободный электрон. "Забрать" этот электрон у лития намного проще, чем "забирать" восемь электронов у многих других металлов. Литий довольно легко с ним расстаётся. Именно поэтому литий используют в большинстве так называемых вторичных аккумуляторов, то есть элементов питания, которых можно зарядит повторно.
Каждый аккумулятор у нас состоит из анода, на который наносятся частицы лития и катода, а между ними находится электролит. Если бы его не было, то анод соединился бы с катодом и произошло возгорание батареи, или ещё хуже - взрыв. Немногим ранее на канале было опубликовано видео, в котором показано, что бывает если проткнуть аккумулятор смартфона. В эксперименте участвовало несколько аккумуляторов из смартфонов разных производителей. Самым небезопасным оказался аккумулятор смартфона Samsung.
Литий-ионные аккумуляторы используются в каждом мобильном устройстве - от смарт-часов до ноутбуков и планшетов.
Теперь же на рынок вышел новый тип батарей - кремний-углеродные, которые при небольших размерах обладают большей ёмкостью, чем привычные литий-ионные. Так при одинаковых габаритах кремний-углеродные аккумуляторы по ёмкости вдвое превосходят обычные литий-ионные.
Какой же из них тогда надёжнее и готов прослужить дольше? И что вообще такое кремний-углеродные батареи?
За ответами на V Конгресс молодых учёных.
За ответами на все эти вопросы я отправился на Выставку V Конгресса молодых учёных, которая проходит сейчас в Научно-технологическом Университете "Сириус". Выставка организована в рамках Десятилетия науки и технологий и смогла собрать более 8000 молодых специалистов из 88 регионов России. Мероприятие настолько широкомасштабное, что привлекло к себе внимание представителей более, чем из 90 стран мира. Именно там я надеялся найти ответы на все свои вопросы.
Сразу предупреждаю, никакую литературу про кремний-углеродные батарея я не изучал и обзоры других блогеров не смотрел.
Как оказалось, мой коллега - техноблогер Вячеслав Гришанков, ведущий канала "AndroidLime" на платформе Дзен, также был на одной из сессий V Конгресса молодых учёных с целью получить ответ на те же самые вопросы. Вечером, в тесном кругу техноблогеров и ведущих научно-популярных каналов Дзена, обсуждая тему кремний-углеродных батарей, я сделал для себя вполне однозначный вывод - что это на самом деле такое.
Наука - для всех.
На мою удачу на полях Выставки V Конгресса молодых учёных проходили съёмки научно-популярной передачи "Наука - для всех". Цель этого шоу - постараться максимально простым и понятным языком объяснить детям, подросткам, да и взрослым тоже, научные факты или открытия. В этот раз темой шоу было обсуждение твердотельных литиевых аккумуляторов.
Надо сказать, что за день до этого мне удалось в рамках проходящего мероприятия посетить лекцию по химии, на которой обсуждался вопрос полимеров, в частности, кремниевых.
Кремний, он же Si - силициум, активно используется в создании полимеров, то есть соединений атомов кремния с каким-либо другим элементом, например кислородом и водородом. Всем нам известен диоксид кремния, кремнезём, SiO₂ - он же морской или речной песок (прошу химиков не судить меня строго за вольность изложения).
Все искусственно созданные химические соединения кремния - полимеры - обладают одним и тем же свойством. Они мягкие. Достаточно представить себе силиконовый чехол Вашего смартфона, силиконовые импланты, силиконовую сантехническую смазку или губную помаду. В основе всех этих товаров широкого потребления лежит кремниевый полимер и он достаточно мягкий, гибкий и не обладает той степенью жёсткости, которым обладают углеродные полимеры, такие, как карбон из которого научились делать протезы.
О протезах, которые также показали на мероприятии, есть отдельный ролик и статья на канале.
А что если создать полимер кремния и углерода? Будут ли пластины, сделанные из такого полимера, достаточно прочные и упругие? К этому мы ещё вернёмся.
В качестве приглашённого спикера на шоу выступила Морозова Софья, кандидат химических наук, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран и кафедрой электрохимической энергетики Института Электродвижения МФТИ.
Софья Морозова довольно простым языком объяснила, что вместо жидкого электролита в литиевых батареях оказалось намного эффективнее использовать твердый, а точнее тончайшую пластину из твёрдого полимера в который как бы вплетены ионопроводящие элементы из обычного жидкого электролита. Как правило - это различные соли, в частности - химическое соединение того же лития, фосфора и фтора.
Назвали такую пластину - ионопроводящая мембрана. Такая технология позволяет весь аккумулятор сделать тоньше.
Если в прочном коробе собрать наподобие сандвича несколько слоёв Анод+Твердый электролит (ионопроводящая мембрана)+Катод, то можно получить более мощный аккумулятор. Такие батареи, например, используют в электромобилях. А называются эти аккумуляторы - твердотельными из-за своего твёрдого электролита.
В то же время мой коллега на сессии "Настоящее и будущее в металл-ионных аккумуляторов" задал вопрос спикеру - академику Российской академии наук; заведующему кафедрой электрохимии МГУ имени М.В. Ломоносова, Евгению Антипову. В своём выступлении Евгений Антипов отметил, что литий-ионные аккумуляторы обладают лучшей плотностью энергии. Обычно, эта плотность составляет 280 ВтЧ на килограмм, но есть разработки образцов с плотностью 300 ВтЧ на кг, а в Китае прошли эксперименты образцов, превысивших плотность в 500 ВтЧ на кг. Для сравнения - свинцовые аккумуляторы обладают плотностью 40 ВтЧ на кг.
Со слов Вячеслава, академик вкратце рассказал, что в таких кроений-углеродных батареях, в катод и анод было добавлено 3% кроения, что привело к незначительному повышению мощности. При этом 6% такого вещества добавлять уже опасно, потому что вся система может стать неустойчивой и привести к неприятным последствиям.
Вместе с тем, академик отметил, что есть варианты безанодных аккумуляторов. В них литий высаживается прямо на углерод с которого и происходит процесс разряда на катод и обратного заряда на углерод. Такие батареи также отличаются малыми физическими размерами.
Как вывод мы можем сделать?
Покидая Выставку V Конгресса молодых учёных, лично для себя я сделал вывод, что кремний-углеродные аккумуляторы - это те же литий-ионные, только твердотельные. То есть, используют твёрдую полимерную мембрану с вкраплениями ионопроводящих солей. Либо, другой вариант - это безанодные литиевые батареи. Но в основе каждой из них обязательно лежит литий. С одной стороны, если мы рассматриваем кремний-углеродные аккумуляторы, как твердотельные, то последние их модели более надёжные, обладают лучшей износостойкостью и более высокой плотностью запасаемой энергии.
Может быть интересно:
Статья подготовлена в рамках проекта Дзен, посвящённого выставке V Конгресса молодых учёных.
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.