В ближайшем будущем люди смогут отказаться от использования традиционных батареек и аккумуляторов, а им на смену придут более компактные, эффективные и долгоживущие устройства для хранения электрической энергии. О новых разработках, позволяющих внедрять более эффективные накопители энергии, суперконденсаторы-ионисторы, и их комбинирование с аккумуляторами,  рассказал профессор Университета Дрекселя в Филадельфии, ученый c Украины Юрий Гогоци, один из авторов статьи в научном журнале Science.

Каких подвижек удалось достичь в области суперконденсаторов-ионисторов за прошедшие четыре года?

— Колоссальный прогресс в исследованиях и уровне нашего понимания работы суперконденсаторов-ионисторов был достигнут за последние четыре года. Количество научных публикаций на тему supercapacitor/ultracapacitor увеличилось более чем в четыре раза, с ~300 в 2009 году до более 1300 в 2013-м.

Графен — один из самых изучаемых сейчас новых материалов для суперконденсаторов-ионисторов. Псевдоконденсаторы с оксидами металлов получают все большее внимание, по мере того как ученые и инженеры стараются увеличить количество энергии, запасаемой этими устройствами. Кроме того, ученые пытаются найти промежуточные решения между аккумуляторами, в которых используются электрохимические реакции, и суперконденсаторами, запасающими энергию в двойном слое на границе раздела между электродом и электролитом. Пониманию и определению различий между суперконденсаторами и электрохимическими аккумуляторами и посвящена наша нынешняя статья в Science.

В чем их главные отличия от традиционных батареек и как можно описать основные преимущества подобных устройств?

— Они могут заряжаться и разряжаться до миллиона раз, то есть срок их жизни дольше, чем срок эксплуатации систем, где они используются. В условиях, где длительный срок эксплуатации без замены является критическим, суперконденсаторы явно имеют преимущество. Это результат электростатического хранения энергии на поверхности электрода, без фазовых превращений в материале электродов, которое приводит к постепенной деградации аккумуляторов. Ни одна батарейка или аккумулятор не способны сравниться с ними. Они могут быть заряжены или разряжены за минуту или даже быстрее.

Кроме того, суперконденсаторы-ионисторы могут доставить или накопить больше энергии, чем любые батарейки, в течение коротких промежутков времени. Их потери энергии на зарядку и разрядку также меньше, чем у аккумуляторов. Не так уж мало достоинств! Но для более широкого их использования нужно увеличить количество запасаемой энергии и снизить стоимость производства.

Почему реализация подобных разработок стала возможна лишь в последние годы, несмотря на то что сама концепция была предложена еще доктором Брайаном Эвансом Конвеем в конце 1970-х?

— Это не совсем так. Суперконденсаторы выпускаются промышленно очень давно, но их применение ограничивалось резервными источниками питания, электроникой и игрушками, делая их малозаметными устройствами. В последние годы область их применения расширилась от полностью электрических автобусов в Шанхае до трамваев в Ницце, которые освободились от проводов в центре города. Их применение в поездах в Германии и портовых кранах в Японии позволяет уменьшить потребление энергии на 30% за счет зарядки во время торможения или опускания груза. Они показали высокую надежность на самом большом пассажирском авиалайнере мира Airbus 380 и широко используются в автомобилях таких компаний, как Citroen и Peugeot. Гибридные автомобили, электроника, хранение энергии от солнца и ветра и многие другие новые применения суперконденсаторов приводят к быстрому росту рынка.

Какие новые разработки и в каких областях поспособствовали развитию ионисторов?

— Широкое применение возобновляемых источников энергии и гибридных двигателей расширило рынок для суперконденсаторов. Новые углеродные наноматериалы и новые электролиты показали, что ионисторы могут работать в диапазоне температур от -50 до +100°C практически без изменения емкости: они могут помочь завести двигатель грузовика зимой в Сибири и летом в Сахаре.

Однако большинство коммерческих устройств по-прежнему использует актированный уголь из скорлупы кокосовых орехов и традиционные органические электролиты. Стоимость — это ключевой фактор для промышленности.

Появились ли варианты с налаживанием массового производства таких устройств? Можно ли рассчитывать на их массовое внедрение в ближайшие годы?

 Да и да. Например, «Роснано» инвестировала в Nesscap в 2011 году с целью организовать современное производство суперконденсаторов в России.

Возникнут ли какие-нибудь проблемы с их последующей утилизацией?

— Типичные детали суперконденсаторов сделаны из углерода, алюминия и полимера. Они не содержат свинца, кадмия или других тяжелых металлов, присутствующих в некоторых аккумуляторах. Они производят меньше токсичных отходов, чем литий-ионные аккумуляторы при сжигании. Однако органические электролиты и тефлоновые мембраны представляют потенциальную проблему из-за выброса фторсодержащих соединений в атмосферу.

С быстрым увеличением потребления люди должны думать, как уменьшить их влияние на внешнюю среду. Так, мы недавно опубликовали статью, описывающую полностью углеродно-полимерные устройства, которые могут сжигаться с мусором в печах практически без остатка и не производить вредные газы.

Как вы оцениваете ситуацию на Украине?

— Трудная политически и тяжелая экономически. Однако избавление от коррумпированного правителя дает Украине шанс на будущее, которого у нее не было до того, как бывший президент Украины сбежал в Россию.

Сейчас виден свет в конце туннеля, но еще предстоит долгая дорога к свету!

Как происходящее может сказаться на науке?

— В ближайшее время спад, несомненно, будет продолжаться и может даже ускориться, но сближение с европейскими научными организациями, доступ к научным грантам из Европы и интеграция в международную научную систему должны привести к подъему уровня украинской науки через несколько лет, если новое демократическое правительство наконец реорганизует академическую систему, унаследованную от СССР, станет оценивать научные достижения по критериям, принятым в мире (индекс цитируемости и т.д.), и введет настоящую конкурсную систему распределения научного финансирования.

Посмотрите на Польшу и другие быстро прогрессирующие страны Восточной Европы в качестве примера. Украинскую науку должны перестраивать и развивать ученые с опытом работы в ведущих университетах и исследовательских организациях мира, как это происходит в Китае, Казахстане и многих других странах.

Как оценивают последние события ваши украинские и американские коллеги? Обсуждали вы ситуацию с российскими коллегами?

— В подавляющем большинстве мои коллеги поддерживают изменения, происшедшие в Украине.

В моей группе есть аспиранты и научные сотрудники из России, Западной и Восточной Украины, и все они дружно работают вместе, невзирая на языковые различия, так же как и люди, живущие в Киеве. Мои родственники и друзья в Киеве говорят на русском языке, но никто из них не был сторонником Януковича. Все, с кем я разговаривал, приветствуют победу демократических и прогрессивных сил.

«Проблема» украинского языка, о которой много пишут в российской печати, в значительной степени результат пропаганды. Просто удивительно было видеть освещение событий в Киеве российскими средствами массовой информации и связанную с этим истерию на интернет-форумах.

Однако в отличие от советского времени, когда мы были вынуждены читать между строк, в России сейчас есть относительно свободный доступ к интернету, и мои российские друзья и коллеги должны быть в состоянии проанализировать информацию из разных источников и сделать независимые выводы, так же как они это делают при анализе научной информации. Я разбираюсь в химии лучше, чем в политике, и не собираюсь комментировать высказывания на политические темы.

Я часто бываю в Киеве, но в Крыму был в последний раз в 80-е годы. История учит нас, что попытки перенести границы, осуществить передел территорий и расширить империи заканчиваются печально, прежде всего для живущих там людей, которые становятся пешками в игре политиков. Ситуация вокруг Крыма, скорее всего, негативно отразится на международном научном сотрудничестве российских ученых, приведет к свертыванию совместных научных программ между Россией и другими странами, и, если этот кризис дойдет до военного конфликта, международное научное сообщество может отвернуться от России.

Я участвую в организации XII Международного конгресса по наноструктурным материалам NANO 2014 в Москве в июле этого года и опасаюсь, что, если политическая ситуация не изменится, эта крупная международная конференция может лишиться большинства международных докладчиков. Это будет печально, так как многие из моих американских и европейских коллег надеялись впервые посетить Россию.

Мне очень хочется надеяться, что нынешний политический кризис может быть решен мирным путем.

По материалам: gazeta.ru