Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2014
NTU
Ученые Наньянского технологического университета из Сингапура (Nanyang Technology University – NTU) разработали аккумулятор со сверхмалым временем заряда, который может быть перезаряжен до уровня равного 70% от максимального всего за две минуты.
Срок службы батарей нового поколения более чем на порядок превосходит ресурс нынешних литий ионных аккумуляторов и составляет примерно 20 лет.
Этот прорыв окажет огромное влияние на все отрасли техники, но в первую очередь на электрические транспортные средства, отпугивающие потребителей большим временем заряда батарей и коротким сроком их службы.
С разработанной в NTU новой технологией водители электромобилей сберегут десятки тысяч долларов на замене батарей и смогут заряжать свои автомобили всего за несколько минут.
Широко используемые в мобильных телефонах, планшетах и электрических транспортных средствах литий-ионные аккумуляторы обычно выдерживают порядка 500 циклов перезаряда. Это эквивалентно двум-трем годам типичной эксплуатации, когда для каждого цикла полного заряда требуется примерно два часа.
В новых устройствах, созданных в NTU, традиционный графит, используемый в качестве материала анода (отрицательного полюса) в литий-ионных аккумуляторах, заменен глинопорошком из диоксида титана.
Диоксид титана – это повсеместно распространенный, дешевый и безопасный материал, содержащийся в почве. Он широко используется в качестве пищевой добавки и в солнцезащитных лосьонах, поглощающих ультрафиолетовые лучи.
Группа исследователей из NTU нашла способ трансформации диоксид титана, существующего в природе в виде частиц сферической формы, в крошечные нанотрубки, в тысячи раз более тонкие, чем человеческий волос. Это ускоряет химические реакции, происходящие в новом аккумуляторе, и делает возможной сверхбыструю зарядку.
Научные основы создания нового глинопорошка из диоксида титана, изобретенного доцентом Чэнь Сяодуном (Chen Xiaodong) из Школы материаловедения и инженерии при НТУ, были изложены в одном из последних номеров журнала Advanced Materials – ведущего международного научного издания в области материаловедения.
 |
| (По часовой стрелке от центра): доцент NTU Чэнь Сяодун (Chen Xiaodong) с научным сотрудником Таном Юксина (Tang Yuxin) и аспирантом Дэн Цзияном (Deng Jiyang). |
Для доказательства правильности своей концепции профессор Чэнь и его группа намерены изготовить крупномасштабный прототип батареи. С помощью NTUitive, дочерней компании NTU, учрежденной для поддержки стартапов, запатентованная технология уже привлекла внимание промышленности.
В настоящее время технология лицензируется компанией для предстоящего производства. Профессор Чэнь ожидает, что новое поколение аккумуляторов с быстрой зарядкой появится на рынке в течение ближайших двух лет. Технология также имеет потенциал, чтобы стать ключевым решением в преодолении долгосрочных проблем энергообеспечения, связанных с электрической мобильностью.
«Электрические автомобили смогут значительно увеличить свой пробег, затрачивая на зарядку всего пять минут, что соизмеримо с временем, необходимым для заправки обычного автомобиля бензином», – добавил Чэнь.
«Не менее важно и то, что теперь мы сможем резко сократить количество токсичных веществ, содержащихся в аккумуляторах, так как наши батареи служат в десять раз дольше, чем нынешнее поколение литий-ионных аккумуляторов».
10,000 циклов перезаряда новых аккумуляторов означают также, что водители электромобилей будут экономить на стоимости замены батарей, каждая из которых может стоить более $5,000.
Простота изготовления
Согласно данным ведущей консалтинговой фирмы Frost & Sullivan, прогнозируемый на 2016 г. объем рынка литий-ионных аккумуляторов составит 23.4 млрд. долларов США.
Для связи электродов с анодом литий-ионных аккумуляторов обычно используются добавки, влияющие на скорость, с которой могут перемещаться ионы и электроны.
Однако для созданных Чэнем новых перекрестно сшитых электродов, основанных на нанотрубках из диоксида титана, эти добавки не нужны, что дает возможность в том же объеме запасать больше энергии.
Процесс производства этого нового глинопорошка из нанотрубок очень прост. Смесь диоксида титана и гидроксида натрия перемешивают при определенной температуре, поэтому производителям батарей будет легко интегрировать новый материал в существующие технологические процессы.
Общепризнанный соавтор изобретения современных литий-ионных аккумуляторов
Профессор NTU Рэчид Язэми (Rachid Yazami), один из тех, кто 30 лет назад изобрел литий-графитовый анод, используемый в современных литий-ионных аккумуляторах, считает, что изобретение профессора Чэня станет следующим большим скачком в развитии технологии батарей.
 |
| Профессор Рэчид Язэми. |
«Хотя цена литий-ионных аккумуляторов значительно снизилась, а их характеристики улучшились за время, прошедшее с 1991 года, когда Sony начала их коммерческое производство, рынок стремительно расширяется в сторону новых приложений в области электрической мобильности и хранения энергии», – сказал Язэми, не принимавший участия в исследовательском проекте профессора Чэня.
За свою инновационную разработку литий-ионых аккумуляторов в прошлом году профессор Язэми вместе с тремя коллегами был награжден престижной премией Draper Prize, учрежденной американской Национальной академией инженерии.
«Тем не менее, возможности для совершенствования еще есть, и одной из ключевых областей здесь является плотность мощности, то есть, количество энергии, которую можно запасти в определенном объеме, что непосредственно связано с возможностью быстрой зарядки. В идеале, время заряда аккумуляторов электромобилей должно быть меньше 15 минут, и наноструктурный анод профессора Чэня доказал, что это возможно».
В настоящее время профессор Язэми работает в NTU над созданием нового типа аккумуляторов для электромобилей.
Для завершения этих исследований группе из четырех ученых потребуется три года. Работа финансируется Национальным исследовательским фондом (NRF) и Канцелярией премьер-министра Сингапура в рамках Программы поддержки исследовательского мастерства и технологического предпринимательства в области наноматериалов для энергетики и управления водными ресурсами.
