Добавить в избранное




Великое будущее батарейки

Акира Йосино - феноменальный изобретатель, химик, генеральный шеф компании Yoshino Laboratory, входящей в состав японской Asahi Kasei Corp. С начала 1980-х он работает в области литий-ионных технологий аккумулирования энергии. Коммерциализация его разработок, совпавшая с IT- и телекоммуникационным бумом 1990-х, по сути, совершила технологическую революцию, приведя к уменьшению размеров и веса большинства портативных устройств - от видеокамер и мобильных телефонов до ноутбуков и планшетных компьютеров. А изыскания, которые в текущее время ведутся под руководством Акиры Йосино, подталкивают мировое сообщество к все больше массовому применению электромобилей. Йосино - фанат технологий беспроводной подзарядки аккумуляторов. В результате их будущего массового применения, считает он, электромобили проворно вытеснят своих бензиновых собратьев. За выдающиеся достижения в науке и технике в области энергетики Акира Йосино стал лауреатом "Глобальной энергии" этого года, разделив премию - свыше миллиона долларов - с российским академиком Владимиром Фортовым.

- Доктор Йосино, как люди оказываются в науке? Как это было в вашем случае?

- Не поверите, но что касается меня, у меня в руках невзначай оказалась книжка Майкла Фарадея "История свечи". В близкое период Фарадей прочитал немного лекций для детей, в которых рассказывал о различных законах природы, с которыми связано горение свечи - они и вошли в книгу. Там на понятном ребенку языке говорится, зачем горит свеча, отчего мы видим ее свечение, почему появляются блики разных цветов. Книга эта тогда доставила мне огромное удовольствие, показав, что многие секреты природы не возбраняется раскрыть, и уже двенадцатилетним мальчишкой я сам мечтал раскрывать тайны природы, стал прилежнее заниматься в школе, чтобы после этого поступить в университет.

- Но изначально ваша специальность была далека от всего, что связано с электричеством и электротехникой, и по окончании университета ни о каких батарейках вы не помышляли.

- Так и есть. В 1972 году я окончил кафедру органической химии в Университете Киото и поступил в корпорацию Asahi Kasei. Это многоотраслевой холдинг (его годовой оборот - рядом 20 млрд долларов в год. - "Эксперт"), тут разрабатывают, производят и продают различную химическую продукцию. Чем только не занимается компания: строительными и конструкционными материалами, электронными компонентами, химическим и искусственным волокном и нитями, тканями и неткаными материалами, было более того собственное фармацевтическое подразделение. Еще какие-то отделы, вероятно, появлялись или исчезали, уже когда я работал в компании. Важнее, однако, другое: там было одно подразделение, которое ведало только бизнесом, и другое - независимый исследовательский блок Лаборатория Кавасаки, куда я и попал работать. Здесь занимались исследованием материалов и всяких химических процессов, потому для меня было абсолютно логично, окончив отделение органической химии, в итоге поступить на работу аккурат в эту лабораторию. Там мне была определена тема, по которой обыкновенно работают несколько только поступивших на место исследователя выпускников университета. Вот с этого все началось. И далее - опять-таки безупречно обычная практика для этой лаборатории, - если молодые ученые тотчас не нашли себя в тех или иных направлениях исследований или они им стали неинтересны, их могут перекинуть на другие темы, они могут испытать себя в других сферах деятельности. И тема, которая привела к батарейкам, для меня была, кстати, уже четвертой, которой я занимался в этой лаборатории.

- Вы именно о литий-ионных батарейках говорите?

- Я начал заниматься полиацетиленом, тот, что мог бы употребляться в литий-ионных батареях в качестве катодного материала. Было это где-то в 1981 году.

- Почему в истории с литий-ионными батареями этот углеродистый полимер оказывается так важен?

- Полиацетилен представляет собой электрический проводящий полимер, его свойства были изучены профессором Хидэки Сиракавой, который получил за это открытие Нобелевскую премию по химии в 2000 году. Связь в этом месте такая. Как вы знаете, существуют так называемые первичные - одноразовые - батареи и вторичные, перезаряжаемые, то есть аккумуляторные батареи. Аккумуляторные явственно удобнее одноразовых. Известны аккумуляторные батареи с водным электролитом - никель-кадмиевые и никель-магниевые батарейки, популярные на рынке ещё лет десять-пятнадцать вспять и сегодня нередко еще применяемые в различных переносных электромеханических устройствах, таких как шуруповерты, где требуется громадный ток разряда. Так вот они как раз из таких батарей - с водным электролитом. Но задача "водных" аккумуляторов содержится в том, что напряжения выше 1,5 вольта они выдать не в состоянии, так как при более высоком напряжении там начинаются электролизные процессы. Это означает, что ни снизить солидно вес батареи, ни повысить плотность накопленной в ней энергии нельзя. Батареи же с неводными электролитами способны дарить натуга 3 вольта и более, а значит, при той же плотности накопленной энергии могут быть в разы более легкими и в одной ячейке питания сберегать столь же энергии, сколь в нескольких водных аккумуляторах, что и требовалось для получающей все большее распространение портативной техники. В начале 1970-х скоро нашли местоположение на рынке первичные элементы, незаряжаемые "батарейки" - легкие и с достаточно огромный удельной энергией батареи с безводным электролитом и с литиевым анодом, позволившие грубо повысить как рабочее усилие батареи, так и ее удельную энергию. Так появились одноразовые литиевые батареи, известные на рынке и сегодня.

- А разработка аккумуляторов на безводной основе застопорилась?

- Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась относительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли родное место как источники питания портативной техники, то создание безводных литий-ионных аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности - на их преодоление потребовалось более двадцати лет. На создание таковый батареи у меня лично ушло в итоге без малого пятнадцать лет.

Как я уже говорил, я начал заниматься полиацетиленом, который мог применяться в таких батареях в качестве катодного материала, приблизительно в 1981 году. Тогда стало ясно, что тот самый углеродистый материал оказался жутко удобной матрицей для интеркаляции, вкрапления, ионов лития (при разряде такого аккумулятора происходит деинтеркаляция ионов лития из углеродного материала, а во час зарядки - интеркаляция, ионы как бы заполняют ячейки углеродистого материала. - "Эксперт"). Но быстро я понял, что, хотя полиацетиленовая ячейка полностью функциональна, ее низкая реальная плотность ограничивает доступный энергетический потенциал батареи, к тому же химическая стабильность материала оказалась ограниченной. Поэтому для применения в качестве отрицательного электрода я изучил пригодность нескольких других углеродистых материалов. И обнаружил, что некоторые из них, с определенной кристаллической структурой нанометровой величины - углеродные волокна, выращенные из паровой фазы моими коллегами Оберлином, Эндо и Коямой за несколько лет до этого, могут снабжать большую мощность батареи в целом.

Акира Йосино уверен, что беспроводная передача электроэнергии станет следующим технологическим прорывом 053_expert_40.jpg Фото: Александр Крупнов Акира Йосино уверен, что беспроводная передача электроэнергии станет следующим технологическим прорывом Фото: Александр Крупнов

- Когда вы почувствовали, что находитесь на пороге успеха?

- Приемлемую аккумуляторную батарею я изготовил уже в 1985 году, когда понял, из какого материала нужно действовать анодную доля литий-ионной батареи. На этот раз мне помогла в этом служба американского ученого из Техасского университета Джона Гуденофа. Еще в 1980-м он опубликовал в журнале Material Research Bulletin статью, в которой описал свойства LiCoO2 в качестве возможного анодного материала для вторичной батареи. А ученые Ядзами и Тузаин провели первые удачные эксперименты по интеркаляции ионов лития из литированных оксидов кобальта в углеродный материал.

Так появилась вначале идея, а следом и сама новая организация неводной вторичной батареи, работающей с помощью переходных металлов литированных оксидов кобальта, содержащих ионы лития, в качестве положительного электрода и углеродистых материалов в качестве отрицательного электрода. По сути это был уже натуральный литий-ионный аккумулятор с безводным электролитом, с существенным по сравнению с водными аккумуляторами улучшением плотности энергии, что позволило немаловажно снизить габарит и вес самого аккумулятора. Кроме того, такие батареи использовали в своей работе не химическое превращение, что означало стабильные характеристики работы самого аккумулятора, сохраняющиеся в течение длительного срока службы, в том числе высокую долговечность цикла с небольшим уровнем деградации накапливаемой энергии. Главное - в этой системе не происходит перемещения самого металлического лития, не происходит никаких химических реакций, а процессы разряда и заряда сводятся только к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Это было важно: некоторые работы с безводными литиевыми аккумуляторами приводили к их самовозгоранию в результате замыкания.

- Оставалось новое изделие продать.

- Что вы, до этого еще было далеко. Но это был тот этап, когда все говорили, сколь востребованы портативные приборы, что необходимо уменьшать размеры аккумуляторов. Мне почему-то вспоминается, что еле-еле==немного ли не основным стимулом для развития новых батарей в конце 1980-х была надобность в подобных батареях для переносных восьмимиллиметровых видеокамер. Но кому нужны самовозгорающиеся батарейки? В 1986 году мы испытали наши батарейки на взрывоопасность, сбрасывая на них тяжелые металлические блоки. Они выдержали испытание. Это был переломный миг для начала коммерциализации литий-ионных батарей, потому что что их ждали. После необходимых доработок в 1991 году по нашему заказу Sony выпустила первые коммерческие ЛИБ, а годом позже это сделало совместное предприятие Asahi Kasei и Toshiba. СП позже разорилось, и выяснилось, что для Asahi Kasei выгоднее реализовать лицензии на выпуск таких батарей другим компаниям, поставляя им для дальнейшей сборки материалы собственного производства по сути дела для всех частей устройства. И если в 1992 году мы представили продукт еще как разработку, неопробованную инновацию, то в 1995-м, сквозь три года прилизывания всех технологий, мы представили ЛИБ уже в качестве массового продукта. Плотность накапливаемой в ЛИБ энергии вдвое превышала показатели никель-кадмиевых или металлогидридных аккумуляторов, при этом она была вдвое легче и занимала намного меньше места. Это способствовало значительному сокращению размера и веса всего источника питания для портативных устройств.

- То есть выход батарей на рынок оправдал надежды?

- Я бы так не сказал - скорее он не подтвердил радужных расчетов маркетологов: в 1995 году было продано таких батарей всего на несколько сотен тысяч долларов по всему миру, занятие двигалось еле-еле, и это при таких-то ожиданиях. Ну а после этого рынок портативной техники стал рскручиваться без затей дикими темпами, появился Windows и лэптопы, электронные игрушки и мобильные телефоны, соответственно, надобность в батарейках все более и более возрастала. И уже посредством пять лет продажи превысили 5 миллиардов долларов, а в текущем году дорастут почти до 20 миллиардов (см. график. - "Эксперт"). Мы ожидаем, что к 2020 году рынок превысит 40 миллиардов долларов, но это при обязательном условии развития электромобилестроения.

- Как отреагировали на инновацию ваши коллеги-ученые?

- После начала продаж ЛИБ в университетах и исследовательских центрах произошел истинный взрыв изысканий в этом направлении. Если до коммерциализации наших ЛИБ в мире существовало меньше сотни заявок на патенты на эту тему, то в 2000 году их было уже три тысячи, а год обратно - более пяти тысяч.

- А что предлагают ученые? Литий-ионные батареи развиваются стремительно, дешевеют на глазах. Но критики говорят: есть такое ощущение, что идут только чуть улучшающие инновации. Прогнозируете ли вы появление революционных изменений в технологиях ЛИБ? Есть ли перспектива у новых литиевых технологий, например литий-сера, литий-воздух, других типов батарей?

- Что касается самих батарей, я бы условно поделил исследования в области ЛИБ на две части. Я думаю, что в развитии технологий будет два этапа, то есть усовершенствование пойдет по двум направлениям. Первое - когда мы будем улучшать нынче используемые материалы, а второе - когда мы эти материалы будем трансформировать на идеально другие. Тех, кто занимается более перспективными поисковыми работами, связанными с применением новых материалов, к примеру с пресловутым нанокремнием, успехи ждут не раньше чем через десять-пятнадцать лет. "Традиционалисты" пытаются улучшить параметры существующих батарей, занимаются технологическими достижениями в области углеродистых материалов, полимеров, керамики, электрохимии в рамках уже заданных технологических парадигм. Вот как раз благодаря этим исследованиям мы ожидаем серьезных изменений в улучшении свойств материалов, используемых при создании литий-ионных аккумуляторов в четырех основных блоках - катоде, аноде, электролите и сепараторе - уже в ближайшие годы.

- Эти изменения приведут к увеличению энергоемкости батареи, уменьшению ее размеров и цены?

- Да, конечно. Например, плотность энергии в текущий момент составляет порядка 180 ватт-часов на килограмм, но уже через несколько лет нормой станет 250 ватт-часов. Мы сейчас работаем над аккумулятором для автомобиля, который вскоре сможет проезжать на одной зарядке 500 километров вместо 200 теперешних.

- Все же электромобили?

- Я думаю, электромобили всенепременно вытеснят с дорог автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Мы многое для этого делаем. Но на этом пути нам уже в ближайшие годы нужно будет параллельно находить решение проблемы, возникающие в двух плоскостях. Первое - усовершенствование собственно аккумуляторных батарей, второе - создание технологий их подзарядки. Что касается традиционных ЛИБ, теоретически нельзя принять ячейки напряжением свыше 6 вольт. Но биполярные электроды позволяют повысить номинальное напряжение значительно больше - до 420 вольт. Трудность в том, что для таких электродов необходим жесткий электролит с высокой ионной проводимостью, и поисковые работы здесь только начинаются.

Что касается технологий подзарядки, то я фанат идеи беспроводной подзарядки электромобилей, и не только их. Здесь могут сосуществовать три основные технологии: электромагнитная индукция, но в то время как это работает на длину всего 10 сантиметров; употребление электромагнитных резонансных полей на средние расстояния - длина приема уже достигает 10 метров; прием радиоволн. Тут навалом еще вопросов - прикиньте, перекинуть за счет электромагнитной индукции тысячи ватт энергии. Если снабдить безопасность, то зарядка аккумулятора электромобиля может проистекать на определенных участках дороги прямо во миг поездки, что сделало бы его почти свободным от источника питания или станции подзарядки. Так или иначе, по всем этим направлениям сейчас крайне энергично идут испытания: быть может ли в принципе подзаряжать автомобиль, покуда он двигается? И исследования говорят, что совершенно возможно. Очевидно, что для этого нужно будет выстроить инфраструктуру, но это отдельный разговор. Беспроводная передача по всему миру станет следующим энергетическим прорывом. Возможно, в ближайшем будущем передача электроэнергии будет сродни передаче мобильного сигнала. И заряжать батарейки и компьютерные аккумуляторы позволительно будет без всяких розеток и проводов.

- Господин Йосино, а какой вы представляете себе энергетику будущего, ведь каким бы способом - динамичным или стационарным - ни подкармливать электромобили, без электроэнергии они все равно не обойдутся?

- Я все же сторонник возобновляемых источников энергии. Я, конечно, понимаю теперешнее участливость своего правительства (после отказа от атомной энергии. - "Эксперт") к более надежным источникам энергии, таким как газ или нефть, но потихоньку должен укрепляться имидж технологий чистой энергии как недорогого источника электричества. Кстати, и мы сейчас работаем над созданием нового типа батарей, которые смогут не только хранить, но и изготовлять энергию, правда, здесь я вам деталей не скажу, так как это дело только в самом начале. Потом у меня своеобразный воззрение на биоресурсы. Я бы обратил на них чуткость не с той точки зрения, что из них разрешается заполучить древесные или фекальные пеллеты для сжигания в печи или метанол из кукурузы в качестве добавки в машинное топливо. Живая натура может воспроизводить себя, пользуясь только энергией солнечного света, и, я думаю, со временем дядя научится создавать новые энергетические системы по образцу растений, получая электроэнергию напрямую из растений и других живых организмов. Но это дело совершенно далекого будущего.

HashFlare
Комментариев: [0] / Оставить комментарий

Keywords:

батареи, вторичной батареи, аккумуляторные батареи, батареи тому, батареи лично, батареи развиваются, батареи использовали, батареи работающей, батареи повысить, батареи уменьшению




=============

=============