На площадке Молодежной научно-исследовательской лаборатории электромеханических, электронных и электрохимических систем ЮУрГУ стартуют исследования в рамках нового перспективного направления. Ученые лаборатории приступили к адаптации металл-воздушных (цинк-воздушных) химических источников тока для конкретных прикладных задач.
В настоящее время коллектив лаборатории занимается разработкой цинк-воздушной батареи, обладающей высокой энергоемкостью, сопоставимой с емкостью литий-ионного аккумулятора, но при этом новый тип батареи отличается значительно более низкой стоимостью. Как отмечает инициатор исследования – руководитель лаборатории электромеханических, электронных и электрохимических систем Владимир Живулин, такая экономическая модель делает технологию перспективной, прежде всего, для применений, предполагающих однократное использование источника тока.
?В настоящий момент мы занимаемся разработкой цинк-воздушной батареи. В силу того, что такой вид батарей имеет высокую энергоемкость, которая сопоставима с емкостью литий-ионного аккумулятора, но при этом в разы дешевле, она может быть выгодна для определенных применений – там, где планируется ее использование только один раз?, – отмечает Владимир Евгеньевич.
Переход к цинк-воздушной системе не приведет к принципиальной смене научной парадигмы лаборатории: коллектив не отказывается от цинк-ионного направления, а расширяет зону своих компетенций в создании химических источников тока.
?В настоящий момент мы не переходим от одной технологии к другой. Мы расширяем зону наших компетенций в создании химических источников тока. Металл-воздушные батареи – это не наше изобретение, они известны уже давно. В настоящий момент мы пытаемся адаптировать такой вид батареи для конкретного применения?, – подчеркивает Владимир Живулин.
Исследователи разделяют два класса устройств. Металл-воздушные батареи как химические источники тока первого рода не подлежат перезарядке привычным способом – путем подключения к внешнему источнику тока; их перезарядка может осуществляться заменой безвозвратно расходуемого катода. Такой тип, по оценке коллектива, представляет интерес для промышленного электротранспорта. Электрически перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы (secondary Zn-air) в настоящее время являются предметом актуальных научных исследований в мировой повестке. В ЮУрГУ их планируют разрабатывать в ближайшем будущем.
Определенная материаловедческая преемственность в исследованиях лаборатории сохраняется. Основным технологическим барьером для коллектива остается изготовление газодиффузионного катода. Согласно данным научной литературы, эффективными катализаторами для работы такого катода могут выступать оксиды марганца и кобальта, сложные смешанные оксиды, а также углерод. С этими материалами ученые лаборатории уже плодотворно работают и намерены их использовать и в новых наработках.
?Цинк-воздушная и цинк-ионная системы принципиально различны, и наработки для одной не могут напрямую применяться при проектировании другой – речь идет, прежде всего, о переносе общего опыта проведения исследований подобной тематики и создания прототипов, – поясняет Владимир Живулин.
Перед коллективом поставлена задача – изготовить прототип батареи емкостью 18 А·ч и напряжением 24 В при условии, что стоимость изделия будет в пять раз ниже литий-ионного аналога при сопоставимой энергоемкости. Подобные батареи применяются в малогабаритном электротранспорте; наличие элемента с такими характеристиками позволит в дальнейшем создавать последовательные и параллельные сборки для достижения требуемых значений емкости и напряжения.
Цинк-воздушная батарея рассматривается как альтернатива разрабатываемому цинк-ионному аккумулятору для применения в электротранспорте – направление вписывается в существующие планы молодежной лаборатории электромеханических, электронных и электрохимических систем, конечной целью которой заявлен прототип промышленного электротранспорта к концу 2027 года. При этом исследователи изучают возможность создания гибридной системы, в которой цинк-воздушная батарея будет обеспечивать непрерывный подзаряд цинк-ионного аккумулятора, а тот, в свою очередь, – необходимую мощность. Разработка гибридных систем, по оценке коллектива, находится на переднем крае науки в сфере электротранспорта.
По словам ученых лаборатории, металл-воздушными батареями и аккумуляторами в настоящее время в России практически никто не занимается, что создает для ЮУрГУ возможность занять эту нишу.
?Если все наши идеи подтвердятся экспериментально, ЮУрГУ имеет шанс стать лидером в этой области. Сейчас для этого есть практически все ресурсы?, – отмечает Владимир Живулин, – ?в настоящее время направление находится на стадии постановки задачи и первых экспериментов; с точки зрения уровня готовности технологии работы соответствуют УГТ-3. По поводу начала выпуска батарей: нам нужно сначала доказать, что идея использования такого вида источника тока верна и рассчитать экономическую выгоду. Только после этого будет ставиться вопрос о том, будет ли она производиться или нет. Может оказаться, что это невыгодно с точки зрения бизнеса?, – резюмирует руководитель лаборатории.
Проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко ?Шаг в будущее?. Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках программы ?Приоритет-2030?. Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.