Первые результаты работы над разработкой твердых электролитов на основе алюминия самарцы представили в виде российского-германских научных докладов на прошедшей в июле международной конференции в Литве ISSFIT-12.
Они будут безопаснее, дешевле и экологичнее нынешних литий-ионных батарей, и смогут найти широкое применение в электромобилях и системах хранения энергии. Научно-исследовательские работы по этой теме ведутся в Межвузовском научно-исследовательском центре по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского университета.
Алюминиевые электроны
Разработка твёрдых электролитов на основе алюминия – это новое слово в мировой науке. Первая научная работа по этой теме появилась в зарубежных научных изданиях только в 2015 году. Однако российские учёные уверены, что для появления алюминиевых батарей есть веские основания.
«Ион алюминия может иметь степень окисления +3, в то время как литий - только +1. А это значит, что теоретически один атом алюминия может переносить в 3 раза больший заряд, чем литий. Соответственно и ток, который будут давать алюминиевые батареи при прочих равных условиях может быть до трёх раз выше, чем литиевых. В то же время атомы алюминия намного крупнее атомов лития, поэтому их диффузия в веществе затруднена. Кроме того, литиевые аккумуляторы имеют очень высокую плотность хранения энергии. Смогут ли алюминиевые аккумуляторы достичь или превзойти «литиевый предел плотности энергии» - пока не ясно. Но очевидно то, что алюминий намного дешевле лития и это один из самых распространенных на Земле элементов», - говорит научный сотрудник МНИЦТМ, кандидат физико-математических наук Артём Кабанов.
К тому же лития мало. Он заканчивается в природе также как и нефть, газ и т.д. По разным прогнозам, в течении двух десятилетий его запасы исчерпаются.
Расчёт свойств перспективных материалов для новых батарей производится в Самарском университете с помощью программных комплексов ToposPro и VASP. ToposPro, разработанный в МНИЦТМ, содержит базы данных о более чем 1 млн. веществ, снабженную экспертной системой оценки свойств материалов разного состава и строения. VASP – всемирно известный программный комплекс для квантово-механического моделирования свойств твёрдых тел. Объединение двух мощных методов изучения вещества позволяет учёным университета получать качественно новые результаты. Новые перспективы по созданию, экспериментальной проверке и внедрению в производство новых аккумуляторов на основе алюминия и других металлов появляются у учёных Самарского университета и благодаря сотрудничеству с немецкими коллегами из Института экспериментальной физики Технического университета Фрайбергской горной академии (TUBAF , Фрайберг, Германия).
Ускоритель прогресса
Создание «акумуляторов будущего» на основе алюминия может существенно ускорить технологическое развитие многих сфер жизни человечества. Например, для России электромобили – пока экзотика. Но в целом в 2015 году, по данным Международного энергетического агентства ОЭСР, по дорогам мира уже ездили 1,26 млн электроавтомобилей. А к 2035 году, по прогнозам аналитиков Wood Mackenzie, каждая десятая продаваемая в США машина будет работать на электричестве. И, возможно, на каждой из них к этому времени уже будет стоять алюминиевые батареи.
«Мы проектируем материалы для аккумуляторов из разных веществ. Но уже можно сказать, что твёрдые электролиты на основе алюминия могут быть лучше недавно спроектированных натриевых. Алюминий может переносить более высокий заряд, и, соответственно, создавать более сильный ток, что позволит с лёгкостью обеспечить электричеством автономный механизм, такой как электромобиль», - убеждён директор МНИЦТМ, профессор Самарского университета Владислав Блатов.
Создание дешёвых, безопасных и энергоёмких батарей позволит дать толчок к развитию и «зелёной энергетики» - ведь главная ее проблема в перемежающихся пассивных и активных циклах. Солнечный свет и ветер непостоянны, и необходимо хранение энергии, полученной в активном цикле и ее передача потребителям в «пассивный» период. В США сейчас используется дешёвая, но громоздкая и сложная технология серно-натриевых батарей, работающих при температуре 400 градусов Цельсия. Аккумуляторы на основе алюминия будут не менее дешёвыми, но мобильными и работающими при нормальных условиях.