Маленькая литиевая революция

История одной технологии
Перед тем как рассказывать о преимуществах новых технологий, стоит сказать несколько слов о том, как вообще работает аккумулятор. Любой аккумулятор вырабатывает электрическую энергию из химической реакции, которая в нем происходит с участием электродов. От того, какие используются электродные материалы, зависит напряжение и емкость аккумуляторов, а значит, их энергия и мощность, насколько долго они будут работать и другие показатели. До последнего времени вершиной эволюции ЛИА были аккумуляторы на основе кобальтата лития.

Литий — элемент с наилучшим соотношением массы и удельной энергии. Соответственно, на его базе можно создавать самые легкие и эффективные аккумуляторы. Первые научные публикации о том, что кобальтат лития можно использовать в перезаряжаемых аккумуляторах, появились в середине 1980-х годов. С 1991 года такие аккумуляторы стали выпускаться в промышленности и сразу же доказали свое преимущество перед другими источниками питания. Новые аккумуляторы имели высокое напряжение и большую разрядную емкость, могли работать при температуре от минус 40 до плюс 55 градусов по Цельсию, разряжаться и заряжаться несколько сотен раз. Впрочем, недостатков у них тоже хватало.

Для больших не подходит
Катодный материал на основе кобальтата лития стоит достаточно дорого и имеет два очень неприятных свойства: токсичность и взрывоопасность. Его нельзя заряжать выше 4,2 вольта — в противном случае внутри аккумулятора начинает выделяться кислород, что может приводить к возгоранию и взрыву. Стало ясно, что такие аккумуляторы не подходят для того, чтобы использовать их в экологически чистом электротранспорте, где на первое место выступают цена и безопасность. Мировое научное сообщество озадачилось поисками материалов, которые могли бы заменить кобальтат лития.

Путем многолетних исследований ученым удалось найти подходящий для этих целей материал. Им оказался железофосфат лития. Железо — самый распространенный в мире химический элемент, соответственно аккумуляторы с железофосфатом лития будут недорогими. Однако этот материал оказался плохим проводником тока. Чтобы решить эту проблему, его частицы размельчают до наноуровня и покрывают высокопроводящим углеродным покрытием. Решением этой проблемы заинтересовались и сотрудники Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН.

Размалываем до наносостояния
Для получения наноматериалов используют специальные энергонапряженные мельницы, разработкой и производством которых занимаются в ИХТТМ. Как рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Нина Косова, они значительно отличаются от обычных шаровых мельниц, которые применяются для размельчения материалов до микронных размеров:

— Если в обычной шаровой мельнице материал подвергается только одному механическому воздействию — удару шаров, то в наших мельницах осуществляется одновременное воздействие удара и сдвига. Результатом является получение материалов в наноразмерном состоянии. Поскольку барабаны вращаются как вокруг собственной оси, так и вокруг общей для всех, — как планеты Солнечной системы, — такие мельницы назвали планетарными. Замечу, что процесс измельчения в них занимает всего несколько минут, а в шаровых — десятки часов.

Сибирский след
Нанотехнологии сейчас являются, пожалуй, наиболее приоритетным направлением российской науки. Перспективы этого направления сибирские ученые увидели еще в конце 1990-х — собственно, благодаря разработкам, которые начались в те годы.

— В 1998 году я впервые рассказала на международной конференции, что мы синтезируем наноразмерные катодные материалы твердофазным способом с применением механической активации, — утверждает Нина Косова. — Это было по тем временам необычным — все синтезировали только материалы микронных размеров. Считалось, что если работать с наночастицами, будут нежелательные побочные эффекты, но это оказалось не совсем так. В настоящее время большинство исследований в области ЛИА ученые посвящают наноматериалам. Но мы были среди пионеров.

Впрочем, наша страна еще может стать лидером в производстве литий-ионных аккумуляторов, для этого у нас есть все предпосылки.

— Сейчас активно развивается проект Роснано, связанный с производством железофосфата лития по нашей технологии, — рассказывает Нина Косова. — В нем участвует «Новосибирский завод химконцентратов» (НЗХК), ОАО «ТВЭЛ» и наш институт. Я научный руководитель этого проекта. Наша цель — создать новую, первую в России, технологию получения материала для ЛИА, чтобы аккумуляторный завод «Лиотех» в будущем работал только на российских материалах. За рубежом аналогичные производства заработали в 2010 году. Поэтому у России есть все шансы влиться в мировой процесс производства новых источников питания.

ФАКТ
Аккумуляторы с железофосфатом лития будут использоваться в экологически чистом городском транспорте.