124311 (689967), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Другой тип солнечных батарей – фотоэлектрический. С помощью установок этого типа получаемое электричество может направляться на производство водорода путем электролиза воды. Эксперименты с массивами нанопроводов и другими наноструктурными материалами показали, что их применение может увеличить эффективность и таких батарей.
Не вдаваясь в детали, можно сказать, что нанотехнологии в будущем сыграют значительную роль в разработке высокоэффективных типов солнечных батарей, требующихся для создания жизнеспособной альтернативы добыче водорода при помощи ископаемых энергоносителей.
Проблема хранения водорода
Следующая важная задача – это задача хранения водорода. Хранение водорода на борту автомобиля в количестве, необходимом для передвижения, представляет собой серьезный вызов инженерам. По самым грубым подсчетам, для перемещения на расстояние в 100 км требуется около 1 кг водорода. Это значит, что необходимо возить в баке около 5 кг водорода, чтобы иметь возможность покрыть средний дневной пробег. Плотность водорода составляет 0,1 грамма на литр объема при комнатной температуре, следовательно, потребуется разместить 50 тыс. литров водорода в баке.
Есть три способа хранения такого объема: в виде сжатого газа с высокой степенью компрессии, в качестве жидкости (что требует сильного охлаждения), или в твердом виде.
Первый способ использовался в ранних моделях автомобилей, работающих на водороде. Конструкторы разных автомобильных платформ пытаются создать хранилища, которые бы соответствовали техническим требованиям, и при этом имели бы приемлемую цену, но пока рано говорить о каких-то значительных подвижках в данной области.
В прошлом году автомобильная компания Honda анонсировала концепт-кар FCX, который может хранить на борту 5 кг водорода при давлении около 350 кг/см2, причем его бак имеет размеры, позволяющие разместить его на автомобиле средних габаритов.
Использовать давление в десятки килограммов на кв. см. для хранения сжатого водорода, или охлаждение в до минус 252 градусов Цельсия для превращения его в жидкость представляет определенную угрозу безопасности потребителей. В этом свете подходящим альтернативным способом является хранение водорода в виде металлогидридов в хранилище, основанном на принципах адсорбции. В такой емкости водород впитывается во внутренние поверхности пористого материала, и может высвобождаться при помощи тепла, электричества или химической реакции. Известно довольно много металлов, которые могут выступать в качестве наполнителя, способного запасать водород.
Нанотехнологии и здесь могут помочь в решении таких задач. Методы, используемые при создании наноматериалов, позволяют управлять физическими характеристиками получаемых композитов. Это дает возможность формировать удерживающие эффекты нужной силы и получать большое соотношение площади поверхности адсорбента к его объему.
Подобные свойства полезны для разработки наполнителей для хранилищ водорода «третьего типа» - на базе адсорбции. Например, исследователи сейчас изучают свойства полимерных наноструктурированных материалов с целью разработки нового типа адсорбентов для хранилищ водорода. На сегодняшний день идет предварительное тестирование новых материалов, и результаты испытаний выглядят вполне обнадеживающими.
Одностенные углеродные нанотрубки обладают большой поверхностной площадью и при этом имеют относительно малую массу. Эти характеристики нанотрубок, согласно общему убеждению, позволяют считать их одним из наиболее перспективных материалов для создания хранилищ водорода большой вместимости.
Теоретически, в таком хранилище может быть запасено около 7,7 массового процента, поскольку хемосорбция такого материала очень велика: на каждый атом углерода в нанотрубке возможно адсорбировать один атом водорода. В дополнение, последующая физическая адсорбция увеличивает вместимость хранилища еще больше. Так или иначе, некоторый скепсис в отношении хранилищ водорода на базе углеродных наонтрубок был обусловлен ошибками ранних, экспериментальных, стадий и разумная основа для разработки хранилищ водорода высокой вместимости уже заложена.
Создание эффективных топливных ячеек
Теперь перейдем к последней задаче. Это создание эффективных топливных ячеек, в которых химическая энергия водорода будет преобразовываться в кинетическую энергию движения с высоким КПД. Топливные ячейки, в принципе, являются зеркальным отображением батарей электролиза. В последних за счет воздействия электричества происходит разделение молекул воды на водород и кислород, а в топливных ячейках соединение водорода с кислородом производит электричество.
Главным препятствием для массового выпуска автомобилей на базе топливных ячеек сейчас является цена такого автомобиля. Стоимость топливной ячейки сейчас колеблется между $1 тыс. и $3 тыс. за киловатт установленной мощности. Чтобы выдержать конкуренцию с обычными автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания, эта цифра должна снизиться более чем в 30 раз – до $30.
Существует несколько различных типов топливных ячеек, но кандидат номер один на применение в автомобилях – ячейки на основе полимерных электролитических мембран, также называемых «мембранами протонного обмена».
И установки электролиза, и топливные ячейки используют для работы дорогие платиновые электроды. Исследователи работают в двух направлениях снижения цены: минимизировать использование платины путем повышения каталитической отдачи через структуризацию катализаторов на наноуровне. Другое направление разработок ставит целью вообще исключить дорогие платиновые катализаторы, заменив их каким-нибудь другим катализатором, в котором наноструктурированная поверхность будет иметь те же каталитические свойства при более низкой цене.
Нанотехнологии непременно сыграют главную роль в будущей водородной экономике. вопрос только в том, когда эта экономика перейдет с генерации водорода из ископаемых энергоносителей на возобновляемые источники энергии. Судя по всему, это случится никак не раньше 2020 года.
4. Не «Дюраселом» единым…
Разработкой химических источников тока (и первичных, «батареек», и вторичных, «аккумуляторов») с использованием наночастиц занимаются явно или неявно уже не один десяток лет. Сейчас этому разделу науки (а точнее, практики), который часто называют наноионикой, посвящены целые разделы конференций, организуются новые фирмы и компании. Это связано, очевидно, с тем, что все более востребованными становятся надежные, долговечные, безопасные и дешевые химические источники тока (ХИТ) для многочисленных устройств микроэлектроники, таких как сотовые телефоны, карманные компьютеры, кардиостимуляторы, устройства «двойного назначения». Мировой рынок таких продуктов превысил в 2006 г. 50 млрд. долларов и чрезвычайно перспективен с точки зрения привлечения инвестиций.
В России направление «наноионики» также начинает развиваться. В начале апреля закончился один из этапов реализации Федеральной Целевой Программой по критическим технологиям развития РФ. По нашим подсчетам, около 10 «свежих» проектов в этой программе так или иначе связаны с исследованием ионного и электронного транспорта в наносистемах. Например, совсем недавно совместный проект по наноионике ("Разработка фундаментальных основ технологии получения нанокристаллических и наноструктурированных материалов с суперионной и смешанной проводимостью для новых поколений химических источников тока"), предложенный Институтом Физической Химии и Электрохимии и Факультетом Наук о Материалах МГУ им.М.В.Ломоносова, был поддержан ФЦП.
Важной целью проекта является создание новых типов энергоемких, высокоэффективных и безопасных портативных источников тока и интегрированных устройств наноионики для преобразования и хранения энергии. Задачи работы достаточно амбициозны: разработка новых методов получения нанокристаллических и наноструктурированных систем с ионной и ионно-электронной проводимостью, фундаментальные исследования структуры и морфологических (микроструктурных) особенностей нанокомпозитов, нанотубуленов и нановискеров с высокой ионной и электронной проводимостью, достижение контролируемого уровня и заданной кросс-корреляции структурно-чувствительных функциональных свойств, разработка научных основ технологий получения гаммы расходных материалов для микропечатной электроники и компьютерного дизайна интегрированных устройств наноионики. Огромное количество проектов по данной тематике традиционно проходит и через Российский Фонд Фундаментальных Исследований.
Развитие новой области знаний о поведении наноразмерных систем с ионной и смешанной проводимостью - наноионики, таким образом, действительно относится к ключевым направлениям современных исследований. С фундаментальной точки зрения представляет значительный интерес разработка новых и оптимизация существующих методов получения таких материалов, а также исследование особенностей ионного и электронного транспорта в таких уникальных системах в зависимости от структуры и микроморфологии используемых наноматериалов. С практической точки зрения, решение основных задач наноионики связано с борьбой за существенное повышение функциональных характеристик суперионных материалов при снижении их себестоимости. Подъем уровня эффективности и конкурентоспособности отечественных электропроизводящих и электропотребляющих отраслей промышленности и транспорта, микроэлектроники, медицины, научных исследований, специальной техники, значительное снижение вредного воздействия на окружающую среду во многом определяются уровнем разработок в области суперионных проводников. Разработка нового поколения электроэнергетического оборудования на базе современных супериоников с повышенными показателями по эффективности, надежности, безопасности, в несколько раз меньшего по массогабаритным показателям по сравнению с традиционным оборудованием, с практически отсутствующим загрязнением окружающей среды позволит создать принципиально недостижимые в традиционном исполнении виды устройств, широко востребованные в прорывных областях современных науки и техники.
Разработка новых «умных» поколений ХИТ основана на том, что свойства ультрадисперсных частиц в существеннейшей степени изменяются по сравнению с объемным телом. И причина этого не только в доступности поверхности и облегчении диффузионных потоков, но и в изменении концентрации дефектов, а главное – в разнообразных «размерных эффектах», которые связаны с тем, что размер частицы становится меньше некоторой критической величины, сопоставимой с так называемой корреляционной длиной или радиусом взаимодействия, характерным для того или иного физического явления. В результате возникают новые закономерности, что проявляется в уникальном физико-химическом и электрохимическом поведении таких наноматериалов.
Переходные элементы, имеющие переменные степени окисления и находящиеся в различных спиновых состояниях в формируемых ими сложных кристаллических структурах, играют важную роль при создании современных функциональных материалов. Одними из наиболее известных адаптивных химических систем, обладающих к тому же широкой распространенностью и низкой стоимостью, малой токсичностью и экологической безопасностью, являются системы Mn-O, Ti-O, V-O (и некоторые другие).
За счет изменения дисперсности самый дешевый и самый известный (еще с 1867 г.!) марганец-цинковый элемент француза Жоржа Лекланше “Zn-MnO2” получает вторую жизнь в виде … всемирно разрекламированной щелочной батарейки Дюраселл! В настоящее время по всему миру сделано большое количество экспериментов, позволяющих получить известный всем диоксид марганца в виде наночастиц, нанопластин, наноусов и даже нанотрубок. Такие материалы работают в батарейках дольше, лучше и, конечно, быстрее перезаряжаются в аккумуляторах, если в них интеркалировать литий.
Так, подобный литий-ионный аккумулятор фирмы Toshiba способен зарядиться на 80% за 60 секунд!. Это значительно быстрее, чем обычные коммерческие литий-ионные аккумуляторы, которым для зарядки требуется от одного до десяти часов. Аккумуляторы с наночастицами теряют только 1% емкости после 1000 циклов зарядка-разрядка, они могут работать при температуре -40°C, при 45°C срок службы начинает сокращаться, но при этом теряется лишь 5% свойств после тысячного цикла. Прототип Toshiba 600mAh разрабатывался с учетом применения с компактными устройствами, размеры его всего 6.2 x 3.5 x 0.4 см.
Еще одна важная черта наночастиц – они не «растрескиваются» и не изменяются при циклировании аккумулятора (в циклах зарядка-разрядка). Раньше считалось, что это явление серьезно ограничивает ресурс обычных химических источников тока, поскольку разрушается или даже химически изменяется электрод, при этом теряется «связность» между отдельными частями электрохимической цепи «батарейки». Другая проблема – электроды могут прорастать друг в друга через разделяющую мембрану («усы» и «дендриты» металлического лития), что приводит к короткому замыканию, иногда – даже к «вскипанию» аккумулятора, как было в недавней истории с изъятием из эксплуатации «ноутбуков» одной очень известной фирмы. Все, аккумулятор можно выбрасывать! При использовании наночастиц в виде «пасты» с тесно контактирующими частицами эти проблемы во многом снимаются. Кроме того, новые литиевые аккумуляторы, выходящие в свет под маркой NanoSafe, среди прочего отличаются и новым материалом для отрицательного электрода, использующего наночастицы так называемых титановых «бронз». Это также позволило существенно повысить срок жизни аккумуляторов. После 15 тысяч циклов глубокого разряда и полной зарядки ёмкость аккумуляторов сохранилась на уровне 85% от первоначального значения. И это при том, что обычные литий-ионные и литий-полимерные батареи имеют жизненный цикл длиной примерно в 300-500 полных циклов заряда и разряда, после чего их ёмкость быстро и существенно падает. Если представить, что батареи NanoSafe появятся на мобильных телефонах, зарядка один раз в три дня будет означать, что аккумулятор проработает 123 года.
В то же время, конечно, возникают и новые «камни преткновения». Например, из-за высокой реакционной способности наночастиц они с удовольствием реагируют с электролитом и вообще со всем, с чем соприкасаются. Однако эту проблему химики успешно решают, если судить по большому числу «свежих» патентов, полученных по этой тематике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
