Ученые Самарского университета создают "аккумуляторы будущего" для электромобилей

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва начали работу над созданием аккумуляторных батарей из алюминия. 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.

 

Разработка твердых 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 ученые 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 три раза больший заряд, чем литий. Соответственно и ток, который будут давать алюминиевые батареи при прочих равных условиях, может быть до трех 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", - рассказал научный сотрудник МНИЦТМ, кандидат физико-математических наук Артём Кабанов.

 

Расчет 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, снабженные экспертной системой оценки свойств материалов разного состава и строения. VASP – всемирно известный программный комплекс для квантово-механического моделирования свойств твердых 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 иследователей Самарского университета и благодаря сотрудничеству с немецкими коллегами из Института экспериментальной физики Технического университета Фрайбергской горной академии (TUBAF, Фрайберг, Германия).

 

Первые результаты работы по созданию твердых электролитов на основе алюминия ученые Самарского университета представили в виде российского-германских научных докладов на прошедшей в июле международной конференции в Литве ISSFIT-12 (Артем Кабанов "За гранью лития: Ab-initio моделирование различных катион-проводящих материалов (Na, Al, K)", Елизавета Тимофеева "K+-проводящие неорганические соединения как перспективные материалы для твердотельных аккумуляторов", Т. Нестлер (Германия) "Существуют ли твердые электролиты для Al3+?").

Создание "аккумуляторов будущего" на основе алюминия может существенно  ускорить технологическое развитие многих сфер жизни человечества. Например, для России электромобили – пока экзотика. Но в целом в 2015 г., по данным Международного энергетического агентства ОЭСР, по дорогам мира уже ездили 1,26 млн электроавтомобилей. А к 2035 г., 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 твердые 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 легкостью обеспечить электричеством автономный механизм, такой как электромобиль", - убежден директор МНИЦТМ, профессор Самарского университета Владислав Блатов.

 

Создание дешевых, безопасных и энергоемких батарей позволит дать толчок к развитию и "зеленой 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 дешевая, но громоздкая и сложная технология серно-натриевых батарей, работающих при температуре 400°С. Аккумуляторы на основе алюминия будут не менее дешевыми, но мобильными и работающими при нормальных условиях.