Аккумуляторы, показывающие рекордные результаты в лабораторных тестах, массово не доходят до реальных покупателей. Причин три: погоня за красивыми данными для публикаций, скрытые проблемы, проявляющиеся только в готовой батарее, и экономика. Об этом «Газете.Ru» рассказал Олег Дрожжин, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры электрохимии химфака МГУ, заведующий лабораторией материалов для электрохимических процессов.
Гонка за публикациями в высокорейтинговых журналах заставляет исследователей иногда улучшать результат «на бумаге». Пример — электродный композит с очень высоким содержанием углерода: в лабораторной ячейке он покажет отличную электрохимию. Однако аккумулятор, где половину массы занимает углерод, делать не станут — его объем слишком велик, а энергоемкость реальной батареи будет скромной.
Другой прием — очень тонкие электроды. Стандартная загрузка материала в реальную ячейку — 10–30 мг/см². В лаборатории некоторые авторы делают слой 0,2–0,5 мг/см², в десятки и сотни раз тоньше промышленных аккумуляторов. На таких электродах свойства часто определяет не объем материала, а поверхность — например, вклад псевдоемкостных процессов, поэтому получить «красивые картинки» для статьи проще, отметил Дрожжин.
Вторая группа проблем проявляется при переходе к настоящему аккумулятору. Большинство работ выполнено в полуэлементах, где материал испытывают против металлического лития или натрия с заведомым избытком. В реальной батарее такого запаса нет, и требования ужесточаются: кулоновская эффективность — доля электричества, возвращаемая электродом при разряде, — должна быть 99,9% и выше.
«Если у материала эффективность 99,5%, кажется, что это почти 100%. На самом деле для реального аккумулятора этого мало: материал, который в полуэлементе выдерживает тысячу или пять тысяч циклов, в полной ячейке может потерять половину емкости уже за 200–300 циклов», — объяснил химик.
Сюрпризы приносят газовыделение при первых циклах или разогрев: в готовом аккумуляторе материал может греться до 50–60 градусов при быстром заряде, запуская нежелательные процессы, не столь очевидные в лабораторной ячейке. Проверять каждый материал на прототипах батарей лаборатории не могут: для этого, пошутил ученый, каждому нужен свой аккумуляторный мини-завод и десятки инженеров и лаборантов.
Третья причина – экономика. Многие материалы и методы их получения слишком дороги или сложны для реального использования. Например, в группе Дрожжина разработан анодный материал на основе оксида титана и ниобия: его емкость примерно на 30% выше, чем у титаната лития, применяемого в электробусах, но ниобий в несколько раз дороже титана. Готов ли покупатель переплачивать 10–20% за более емкую батарею?
«Тот же карбонат лития поднимался почти до 100 тыс. долларов за тонну, а потом опускался до 15 тыс. — и все в течение одного года. Мы можем сделать хорошие материалы или ячейки, но против законов экономики бессильны: если что-то стоит слишком дорого, никто этого не купит», — заключил Дрожжин.
Ранее химик рассказал, почему натриевые аккумуляторы не заменят литиевые в смартфонах.