В Южно-Уральском государственном университете приступили к разработке цинк-воздушной батареи для малогабаритного электротранспорта — источника тока, в котором вместо дорогого лития используется цинк и кислород из воздуха. Прототип при сопоставимой емкости должен стоить в пять раз дешевле литий-ионного аккумулятора.
Такая экономика делает технологию перспективной прежде всего там, где источник тока предполагается использовать однократно, — поясняет инициатор исследования, руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук Владимир Живулин:
«Цинк-воздушная батарея имеет высокую энергоемкость, сопоставимую с литий-ионным аккумулятором, но при этом в разы дешевле. Поэтому она может быть выгодна для применений, где батарея используется только один раз».
Переход к цинк-воздушной системе не означает смены научной парадигмы лаборатории. От цинк-ионного направления коллектив не отказывается, а расширяет компетенции в создании химических источников тока.
«Мы не переходим от одной технологии к другой, а расширяем зону наших компетенций. Металл-воздушные батареи — не наше изобретение, они известны давно. Сейчас мы пытаемся адаптировать такой вид батареи для конкретного применения», — подчеркнул Владимир Живулин.
Такие источники тока бывают двух видов. Одни нельзя перезарядить от сети — можно только заменить отработанный элемент на новый. Другие заряжаются снова и снова, как аккумуляторы. Первые, по оценке коллектива, пригодятся для промышленного электротранспорта. Вторые, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы, сейчас активно исследуют в мире, и в ЮУрГУ планируют заняться ими в ближайшем будущем.
Исследования опираются на уже накопленный опыт. Главная сложность для коллектива — изготовить газодиффузионный катод (деталь, через которую к батарее поступает кислород из воздуха). Ученые уже знают, какие материалы могут помочь. По данным научной литературы, это соединения марганца, кобальта и углерод. С ними лаборатория уже работает и будет использовать их в новых разработках.
Цинк-воздушная и цинк-ионная системы устроены по-разному. Поэтому готовые решения для одной не подходят для другой — можно перенести только общий опыт исследований и создания прототипов.
Сейчас перед коллективом стоит задача изготовить прототип батареи емкостью 18 А·ч и напряжением 24 В. Изделие должно быть в пять раз дешевле литий-ионного аналога при сопоставимой энергоемкости. Подобные батареи применяются в малогабаритном электротранспорте — например, в электровелосипедах, скутерах и небольших погрузчиках. Элемент с такими характеристиками позволит создавать последовательные и параллельные сборки для нужных значений емкости и напряжения.
Металл-воздушными батареями и аккумуляторами в России сейчас практически никто не занимается — это дает ЮУрГУ шанс занять нишу. Если идеи подтвердятся экспериментально, у университета есть шанс стать лидером в этой области. Пока направление находится на стадии постановки задачи и первых экспериментов.
До выпуска батарей предстоит решить две задачи: доказать, что идея использования такого источника тока верна, и рассчитать экономическую выгоду. Только после этого будет ставиться вопрос о серийном производстве.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Фото: ЮУрГУ/Сергей Качко
