В мире непрерывно циркулирует энергия, и мы сами ежедневно имеем с ней дело: заряжаем гаджеты, арендуем электросамокаты, храним данные в дата-центрах. Но за привычными технологиями стоят десятилетия фундаментальных исследований в области химии и физики.
Вместе с академиком РАН, профессором Сколтеха и лауреатом Научной премии Сбера Евгением Антиповым разбираемся, как устроены современные аккумуляторы, почему они иногда взрываются и какое будущее ждет сверхпроводники.
Как литий изменил мир аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы стали одной из важнейших технологий XXI века. Если первые коммерческие образцы обеспечивали около 100 Вт·ч/кг, то современные аккумуляторы способны запасать уже 250–300 Вт·ч/кг. Это означает, что при тех же размерах и массе устройство хранит в два-три раза больше энергии и работает значительно дольше.
Как работает аккумулятор
Во время зарядки электрический ток проходит через аккумулятор и запускает обратимую химическую реакцию, благодаря которой энергия накапливается. Во время разрядки, когда устройство работает без подключения к сети, эта энергия высвобождается и превращается в электрический ток, питающий все его компоненты.
Каждый цикл зарядки и разрядки постепенно изменяет химические свойства аккумулятора. Со временем он начинает удерживать все меньше энергии и разряжается быстрее.
Главная причина успеха лития в производстве аккумуляторов заключается в его свойствах. Ион лития совсем невелик и легок, поэтому он способен быстро перемещаться внутри кристаллической структуры электродных материалов. Именно он выступает переносчиком заряда внутри аккумулятора.
От лаборатории до смартфона
Путь от научного открытия до внедрения технологии может занимать десятилетия. Еще в середине 1970-х британский ученый Стэнли Уиттингем предложил такой тип аккумулятора, в котором заряд внутри устройства переносится ионами лития. Однако первые разработки не обеспечивали заметного преимущества по сравнению с существующими свинцово-кислотными батареями.
Следующий шаг сделал Джон Гуденаф. В 1980 году ученый из Оксфорда предложил использовать кобальт лития в качестве катода аккумулятора (катод — положительный электрод аккумулятора. В паре с анодом — отрицательным электродом — катод участвует в накоплении и отдаче энергии. — РБК). Новый материал позволил существенно повысить энергетическую плотность литий-ионных аккумуляторов.
Затем японский исследователь Акира Ёсино разработал подходящий анодный материал на основе углерода и создал первый прототип современного литий-ионного аккумулятора. В конце 1980-х технология была запатентована, и только в 1991 году компания Sony начала ее промышленное производство.
Так фундаментальные исследования нескольких ученых постепенно превратились в технологию, которая сегодня используется практически во всех мобильных устройствах.
Почему аккумуляторы взрываются
Литий-ионные аккумуляторы требуют аккуратного обращения. Например, опасность может представлять зарядка охлажденного аккумулятора, особенно в быстром режиме.
При низкой температуре ионы лития не успевают встроиться в структуру графитового анода. Они осаждаются на его поверхности в виде металлического лития и со временем образуют тонкие игольчатые структуры. Они могут прорасти через внутренние слои аккумулятора и вызвать короткое замыкание, в результате чего выделяется тепло. Катодный материал выделяет кислород, который, в свою очередь, запускает быструю цепочку химических реакций. Возникает тепловой разгон — процесс, способный привести к возгоранию или взрыву аккумулятора.
Еще одна распространенная причина возгорания — регулярная и полная разрядка. Литий-ионные аккумуляторы лучше не разряжать до нуля. Чтобы устройство прослужило дольше, рекомендуется подключать его к зарядке, когда уровень энергии опускается примерно до 20%.
Снизить риск теплового разгона помогают новые материалы для аккумуляторов. Один из самых распространенных сегодня — литий-железо-фосфат. Именно на его основе производят безопасные литий-ионные аккумуляторы, которые используются в электромобилях, системах хранения энергии и бытовой электронике.
Искусственный интеллект ищет новые материалы
Чтобы сделать аккумуляторы безопаснее и эффективнее, ученые постоянно экспериментируют с их химическим составом. Исследователи активно разрабатывают новые электролиты — жидкие среды, через которые перемещаются ионы лития. Помимо основных компонентов электролит содержит множество специальных добавок. Одни увеличивают срок службы аккумулятора, другие снижают риск теплового разгона, третьи улучшают работу при экстремальных температурах.
Искусственный интеллект способен анализировать огромные массивы данных и быстрее находить оптимальные комбинации таких добавок и веществ. В перспективе это позволит создавать цифровые двойники аккумуляторов и значительно ускорит разработку новых поколений источников энергии.
Сверхпроводники без потерь
Помимо аккумуляторов Евгений Антипов известен своими исследованиями в области сверхпроводимости.
Сверхпроводимость — это состояние вещества, при котором электрический ток проходит без сопротивления. Если обычные линии электропередачи неизбежно теряют часть энергии в виде тепла, то сверхпроводники позволяют передавать электричество практически без потерь.
Большинство известных материалов становятся сверхпроводниками только при очень низких температурах — от нескольких десятков до нескольких сотен градусов ниже нуля. Научная группа Евгения Антипова открыла новое семейство высокотемпературных сверхпроводников на основе ртути. Они удерживают мировой рекорд по температуре перехода в сверхпроводящее состояние при нормальном давлении. Такие сверхпроводники проще использовать на практике, поскольку для их охлаждения требуется меньше энергии, чем для других материалов.
Потенциальные области применения сверхпроводников материалов чрезвычайно широки. Это энергетика, где можно резко сократить потери при передаче электричества, медицина с ее мощными магнитными системами диагностики, а также поезда на магнитной подушке. Магнитная левитация устраняет трение между поездом и рельсами, что позволяет достигать очень высоких скоростей и снижать затраты энергии на движение. Если масштабировать такие технологии, они смогут заметно изменить мировую энергетическую систему и качество жизни людей.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта Сбера и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети «ГигаЧат», которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО «Сбербанк», 18+ erid: 2SDnjewpoWi
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.