Высокопроизводительные и экономичные ультраконденсаторы, изготовленные на базе графена и нанотрубок

OCSiAl увеличил мощности до 75 тонн

Крупнейший в мире производитель графеновых нанотрубок OCSiAl (портфельная компания Роснано) вывел на производственную мощность новый реактор, позволяющий выпускать 50 т нанотрубок в год. Инвестиции в проект составили 1,3 млрд руб. Общий объем производства OCSiAl составляет сегодня 75 т нанотрубок. Компания рассчитывает, что потребность в этой продукции в мире к 2021–2022 году составит 100–150 т нанотрубок в год. OCSiAl сегодня занимает 95% мирового производства одностенных углеродных нанотрубок. По оценкам экспертов, в перспективе пяти лет объем мирового рынка графена может вырасти до 4–5 тыс. т в год, а его стоимость — упасть в 10 раз.

Производитель одностенных углеродных нанотрубок OCSiAl вывел на производ­ственную мощность новый реактор Graphetron 50, позволяющий выпускать 50 т нанотрубок в год. Объем инвестиций в проект — 1,3 млрд руб., из которых 300 млн руб. — заем Фонда развития промышленности. В тестовом режиме установка начала работать весной 2019 года. Председатель правления «Роснано» Анатолий Чубайс назвал запуск Graphetron 50 «событием мирового масштаба». «Ни одна компания на земле не может произвести даже одну тонну такого матери­ала. То, что сегодня сделано, — это начало глобального обновления материалов на земном шаре. Я не преувеличиваю, хорошо понимаю, о чем говорю»,— сказал он на церемонии открытия установки в Новосибирске.

Мощность первой установки Graphetron 1.0, действующей с 2014 года, составила в прошлом году 10 т, текущая — 25 т. Общий объем производства OCSiAl сегодня — 75 т в год.

Компания OCSiAl основана физиком Михаилом Предтеченским и предпринимателями Юрием Коропачинским, Юрием Зельвенским и Олегом Кирилловым, является единственной компанией, владеющей масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок. Головная компания зарегистрирована в Люксембурге. Графеновые нанотрубки обладают высокой электро- и теплопроводностью, а также прочностью. При внесении в матрицу материала они создают трехмерную сеть, которая придает ему проводящие и армирующие свойства. Они применяются для модификации пластиков, композитных материалов, различных видов резин, красок и покрытий, литий-ионных аккумуляторов. В 2019 году около 90% продукции OCSiAl приходилось на экспорт: Китай, Япония, страны Европы. Роснано приобрело долю в компании в 2014 году. По данным Forbes, она составила 17,3%. По словам Анатолия Чубайса, капитализация компании в 2019 году достигла $1,5 млрд, в 2018 году была $1 млрд.

По оценкам президента OCSiAl Юрия Коропачинского, мировое потребление одностенных углеродных нанотрубок достигнет в 2021–2022 году 100–150 т. «У нас нет сейчас таких объемов синтеза. Чтобы обеспечить спрос на 2022 год, нам нужно половину объемов иметь на складе. Каждый год мы продаем объемы синтеза, которые получаем в предыдущем году»,— сказал он. По оценкам господина Коропачинского, главный фактор роста потребления — «революция в области электротранспорта и следующие за ней революции в производстве батареек, шин, материалов для корпусов автомобилей». «Только батарейки, если исходить из официальных планов производителей автомобилей и электромобилей, потребуют в 2025 году 250 т нанотрубок. Чтобы обеспечить такой спрос, нам нужно в этом году начать и в 2023 году запустить новый синтез»,— сказал он. Потребность рынка электромобилей через десять лет в нанотрубках он оценивает в 5–7 тыс. т. По его словам, компания планирует увеличить свои производственные мощности в Новосибирске до 150 т. «Это продукция на более чем $200 млн»,— сказал Юрий Коропачинский.

По словам вице-президента по продажам в России и СНГ OCSiAl Александра Зимнякова, компания также планирует строитель­ство производства в Люксембурге. «Сейчас говорим о первой очереди производительностью около 100 т»,— сказал он. Уточнять сроки реализации этого проекта и объем инвестиций в него он не стал. По его данным, OCSiAl сегодня занимает 95% мирового производства одностенных углеродных нанотрубок.

« То, сколько мы продали продукции в прошлом году, — по факту и есть емкость мирового рынка нанотрубок. Выручка нашей компании в прошлом году превысила $14 млн. Что касается рынка будущего года, то мы планируем рост объемов продаж и поставок в два раза и более»,— сказал господин Зимняков.

Рынок графеновых нанотрубок на сегодняшний день фактически еще не сформировался: производится графен в очень ограниченных объемах, а его потребители, как правило, себя не раскрывают во избежание утечек информации конкурентам о новых разработках, в которых он применяется, говорит управляющий парт­нер экспертной группы Veta Илья Жарский. При этом, отмечает эксперт, количество патентов, предполагающих использование нанотрубок и графена во всем мире оценивается в несколько десятков тысяч в год. «Графен является достаточно дешевым, и по мере роста спроса на него будет расти и предложение. Согласно различным прогнозам, уже в перспективе пяти лет объем рынка графена может вырасти до 4–5 тыс. т в год, а его стоимость может упасть в 10 раз»,— говорит Илья Жарский.

Графеновые нанотрубки приходят на смену многостенным углеродным нанотрубкам, мировой объем производства которых составляет около 3 тыс. т в год, говорит аналитик ГК «Финам» Леонид Делицын. «По оптимистичным оценкам, графеновые нанотрубки отвоюют половину рынка. В денежном выражении речь идет о $50–100 млрд в год»,— говорит он. За последние десять лет производство графеновых нанотрубок выросло десятикратно, что позволяет рассчитывать на темпы прироста около 25% в год, отмечает эксперт.

Прорыв в технике: созданы суперконденсаторы из графена

Новая технология изготовления графена позволила создать суперконденсатор большой емкости. Новое компактное устройство хранения энергии можно будет быстро заряжать и разряжать, что сулит прорыв во многих областях техники, например развитии электротранспорта.

Подробности в комментариях

Дубликаты не найдены

Исследователи из Университета Монаш разработали новое поколение накопителей энергии. Причем не просто создали концепцию, а подготовили практически готовую промышленную технологию производства графеновых суперконденсаторов, которые имеют небольшие габариты и могут хранить столько же электричества, сколько и обычные аккумуляторы. Новые устройства можно применять повсеместно: от портативной электроники, до электрических транспортных средств, включая автомобили и самолеты.

Вкратце современную «проблему аккумулятора» можно описать следующими словами: аккумуляторы хранят достаточно энергии, но слишком медленно заряжаются/разряжаются. В свою очередь, суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться очень быстро, что весьма полезно для электрического транспорта, которому нужна высокая пиковая мощность, но компактные суперконденсаторы хранят слишком мало электроэнергии, чтобы получить широкое применение.

Пока ученые пытаются найти способ усовершенствовать литий-ионные аккумуляторы, ученые из Университета Монаш решили нарастить емкость суперконденсаторов, для чего обратились к идее использования графена.

Суперконденсаторы, как правило, изготовлены из высокопористого углерода, пропитанного жидким электролитом. Суперконденсаторы имеют очень большой срок службы и заряжаются за считанные секунды. Все это делало бы их идеальным накопителем энергии, если бы не низкая плотность хранения энергии – обычно около 7-9 ватт-часов на литр. Другими словами, суперконденсаторы занимают очень много места и поэтому использовать их в электромобилях и тем более смартфонах нельзя.

Австралийским ученым удалось создать суперконденсатор с плотностью хранения энергии 60 ватт-часов на литр, это пока в 4-6 раз ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, но уже сопоставимо со свинцово-кислотными аккумуляторами и в 12 раз выше, чем у нынешних суперконденсаторов. Если учесть, что суперконденсаторы заряжаются почти мгновенно, то небольшой запас хода электромобиля, 150-200 км, уже перестанет быть проблемой.

Для изготовления нового типа суперконденсатора использовалась технология капиллярного сжатия гелеобразных графеновых пленок в присутствии жидкого электролита. Фактически, ученые применили процесс, аналогичный промышленному способу изготовления бумаги, что облегчает внедрение новой технологии в массовое производство. Благодаря данному простому подходу, можно создавать графеновые листы с высокой плотностью и четкой прослойкой субнанометрового уровня между листами. При этом, жидкий электролит играет двойную роль: сохраняет минимальный зазор между листами графена и проводит электричество.

Остается надеяться, что промышленность заинтересуется новой технологией, и, наконец, начнет производство по-настоящему долговечных и мощных источников питания для электронных устройств. На электротранспорте новые суперконденсаторы и вовсе совершили бы прорыв: надежные, дешевые, служащие десятки лет, мощные суперконденсаторы могут полностью заменить бензиновые и дизельные моторы на общественном транспорте и частных авто. Также, суперконденсаторы большой емкости открывают новые возможности для разработчиков перспективного оружия: лазерных и электромагнитных пушек.

Действительно хорошая новость. Это же теперь можно полностью отказаться от свинцовых аккумуляторов!

Но к сожалению, конкуренцию литий-ионным и ли-по аккумуляторам они пока не составят, т.к. всё-таки плотность энергии у новых конденсаторов очень мала по сравнению с ли-ион и ли-по. Странно, что не приведён другой важный показатель — количество запасённой энергии на единицу массы, т.к. для автомобилей, вес является более важным параметром чем объём. По примерным прикидкам (если взять плотность нынешних суперконденсаторов

1300 кг/м^3), то удельная энергия на единицу массы получтся равной

45 ВтЧ/кг. Для сравнения, у литий-ионных аккумуляторов этот показатель равен 265 ВтЧ/кг, т.е. и получаются заявленные 6 раз преимущества у последних. А вот удельная плотность энергии при этом у ли-ион получается 730 ВтЧ/л, а это уже примерно в 15 раз лучше, чем у новых суперконденсаторов и теперь уже объём начинает играть ведущую роль. Т.е. если в Теслу Модель С можно напихать аккумуляторов под днищем так, что она проедет на их заряде 500 км, то для новых суперконденсаторов, даже чтобы машина проехала 100 км (в 5 раз меньше) нужно найти место по объёму равное трём батареям от Теслы. Учитывая и так совсем не компактные размеры Теслы, можно предположить, что задача эта будет трудновыполнима.

Ещё один момент: для быстрого заряда новых конденсаторов нужна соответствующая инфраструктура, т.к. несмотря на принципиальную возможность быстрого заряда, источники электроэнергии, доступные рядовому гражданину не позволяют на данный момент заряжать электромобиль со скоростью более 50-100 км/ч. А создавать инфраструктуру ради заведомо уступающей технологии навряд ли будут.

Читайте также  Розетки для электроплиты при скрытой проводке

Т.о. революции электромобилей пока не будет и нефтяные компании тут вовсе не причём. Но это нисколько не умаляет значимости достижения — замена свинцовых аккумуляторов суперконденсаторами сделает жизнь во многих сферах техники и повседневной жизни более удобной.

Mustang Hardtop 1965 vs Mustang Mach-E 2021

Прототип автомобиля на солнечных батареях

Прототип автомобиля на солнечных батареях Lightyear проехал около 710 км на одной зарядке

Компания Lightyear из Нидерландов сообщила о важном технологическом прорыве, позволившем концептуальному электромобилю Lightyear One на солнечной батарее проехать рекордные 710 км на одном заряде аккумулятора с относительно небольшой емкостью, составившей всего 60 кВтч.

Разработка автомобиля Lightyear One продолжалась на протяжении 4-х лет. Были запатентованы уникальные технологии, позволяющие увеличить пробег электромобиля на относительно низкой скорости. По заверению разработчиков, во время тестового испытания на треке в испытательном центре Альденховена в Германии Lightyear One достиг потребления энергии всего 137 Втч на пройденную милю при скорости 53 мили в час (85 км/ч). Такой показатель на 50% ниже, чем потребление энергии самыми эффективными современными серийными электромобилями.

Первое официальное представление Lightyear One было проведено еще в 2019 году. Тогда разработчики обещали достичь показателя автономного пробега авто по стандарту WLTP в 725 км. Последнее испытание в Германии показало, что инженеры Lightyear практически достигли заявленного показателя.

Краткий видеоотчет о ходе девятичасового тестового заезда Lightyear One представлен на YouTube канале компании. Примечательно, что водители электрокара сменялись каждые два часа, а испытание проводилось в пасмурную погоду, что снижало эффективность от подпитки аккумулятора от солнечных батарей, встроенных в облицовку корпуса авто. В результате дополнительный пробег от солнечной батареи составил всего 40 км, тогда как в солнечный день этот показатель достигает величины почти 72 км.

Эксклюзивная серия 946 Lightyear One начнется уже в первой половине 2022 года, а серийное производство электромобилей будет развернуто уже в 2024 году.

Китайский автопром

Фольксваген открыл завод по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов

В 2019 году сообщалась, что немецкий автомобильный концерн Фольксваген (Volkswagen, VW) начал строить завод по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов в Зальцгиттер (Salzgitter), ФРГ.

В пятницу автопроизводитель сообщил о запуске этой пилотной площадки.

По заявлению компании, она использует процесс замкнутого цикла для восстановления ценного сырья, такого как литий, никель, марганец и кобальт, из литий-ионных аккумуляторов. Цель состоит в том, чтобы обеспечить 90-процентную степень переработки этих материалов, а также алюминия, меди и пластика, которые затем можно снова использовать для производства новых батарей.

На построенном экспериментальном заводе перерабатываются только такие батареи, которые больше не могут использоваться для каких-либо других целей. То есть перед переработкой проводится анализ, подходят ли аккумуляторы для повторного использования в мобильных системах хранения, гибких станциях быстрой зарядки или мобильных зарядных роботах.

Большие объёмы батарей, которые совсем ни на что не годны, достигли конца своего жизненного цикла, появится не раньше конца десятилетия, говорится в сообщении VW. Поэтому пилотная установка в Зальцгиттер может ежегодно перерабатывать до 3600 аккумуляторных блоков. Это соответствует примерно 1500 тоннам. В дальнейшем возможно масштабирование.

Разработанный процесс переработки не требует энергоемкой плавки. Согласно заявлению Volkswagen, поставляемые аккумуляторные системы сначала глубоко разряжаются и разбираются. Затем отдельные части измельчают в гранулы, которые после этого сушат. Помимо алюминия, меди и пластмасс, в первую очередь получается ценный «черный порошок», который содержит важное сырье для аккумуляторов — литий, никель, марганец и кобальт, а также графит. Разделение и обработка отдельных веществ с помощью гидрометаллургических процессов — с использованием воды и химических реагентов — осуществляется специализированными партнерами.

Затем восстановленные вещества могут использоваться для производства новых батарей. «Таким образом, основные компоненты старых аккумуляторных элементов могут быть использованы при производстве нового катодного материала», — объясняет Марк Мёллер, руководитель отдела технических разработок и электронной мобильности Фольксваген. Исследования показали, что батареи, изготовленные из переработанных материалов, столь же эффективны, как и новые. Таким образом, Volkswagen поддержит собственное производство элементов восстановленным сырьем. «Поскольку спрос на батареи и, следовательно, на электронное сырье резко возрастет, мы сможем эффективно использовать каждый грамм восстановленного материала», — говорит Мёллер.

Новое производство также обеспечит сокращение выбросов парниковых газов и улучшит углеродный баланс электромобилей. По оценкам Volkswagen, сокращение выбросов CO2 составит около 1,3 тонны на одну батарею мощностью 62 киловатт-часа, которая производится с использованием катодов из переработанных материалов и на 100% экологически чистой электроэнергии.

«Мы внедряем экологически безопасный цикл вторичной переработки и, таким образом, являемся пионерами в отрасли в области защиты климата и поставок сырья», — сказал Томас Шмалл, член правления Volkswagen AG.

Прошлый год стал рекордным по продажам электромобилей в мире, но особенно бурный рост зафиксирован в Европе. Германия впервые опередила США. С ростом парка этих машин, будут расти и объемы отработанных аккумуляторов. Важно, что автопроизводители и специалисты по управлению отходами решают задачи переработки батарей уже на нынешней, начальной стадии развития рынка.

Графеновый единорог: производство 600 000 000 км нанотрубок в секунду

В этом году произошло удивительное событие – в новосибирском Академгородке заработала на полную мощность промышленная установка Graphetron 50, единственная в мире в промышленном масштабе производящая графеновые нанотрубки. Мы расскажем, почему это событие уникально для нашей страны и всего мира в целом.

Каждую секунду Graphetron 50 производит 600 000 000 км нанотрубок – сумму четырех расстояний от Земли до Солнца. Графеновые нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами: невероятной прочностью, гибкостью, высокой электропроводностью, устойчивостью к высоким температурам, рекордным соотношением длины к диаметру и большой площадью поверхности, а также химической инертностью – и совместимы практически со всеми материалами. Эти уникальные качества делают нанотрубки единственным универсальным аддитивом, улучшающим удельные свойства большинства известных материалов. Добавление всего 0,05% нанотрубок в пластики, резину, бетон или металл дает увеличение прочностных характеристик на 20–30%, а то и в несколько раз. Незаменимы они и при производстве современных аккумуляторов, электроники и во многих других отраслях промышленности. Не зря их называют материалом XXI века.

Масштаб – дело тонкое

Делать этот материал в промышленных количествах способна единственная компания в мире – OCSiAl. Первую промышленную партию OCSiAl синтезировала также в Академгородке в 2015 году – 1,2 т, что превысило весь объем этого материала, произведенного с момента его открытия в 1991 году. Сегодня научно-исследовательский реактор Graphetron 1.0, изначально рассчитанный на производство тонны трубок, синтезирует 25 т в год: технология оказалась уникально масштабируемой.

Как говорит основатель компании Юрий Коропачинский, предельный коэффициент масштабирования в химической промышленности – 6, за редким исключением – 8. Уже Graphetron 1.0 показал коэффициент выше 10. Поэтому 50 т на Graphetron 50 – это только самое начало. Изменилась и технология производства: если Graphetron 1.0 компания запускала год, то Graphetron 50 заработал сразу – невиданный результат при технологиях такой сложности. Одна из основных проблем – трудность протекания каталитических реакций на таких площадях: один грамм нанотрубок имеет площадь поверхности 1500 м2, а одновременно в реакторе Graphetron 50 находятся десятки килограммов трубок. До сих пор эта задача считалась неразрешимой.

Интересной особенностью подобных реакций является то, что себестоимость продукции падает как 1 на объем реактора в степени 3/2. Поэтому с ростом размера Graphetron материал становится дешевле и качественнее. По мере увеличения реактора в конечных графеновых трубках все меньше металлических частиц. И если на первом графетроне сначала синтезировали трубки 75%-ной чистоты, потом 80%-ной, то на новом реакторе получается 85% и выше – компания вплотную подошла к рекордной 90%-ной чистоте.

Graphetron 50 – вторая установка компании OCSiAl по синтезу графеновых нанотрубок, крупнейшая в мире на данный момент. Совокупная производительность двух установок составляет 75 т в год, и это только начало: Graphetron 50 станет в ближайшие годы стандартной установкой, которую OCSiAl планирует строить в разных точках мира, чтобы наращивать объемы производства на тех рынках, где находятся наши потребители, в первую очередь в Азии и Европе.

Буквально несколько месяцев назад сооснователю OCSiAl и научному руководителю компании академику Михаилу Предтеченскому была присуждена Государственная премия Российской Федерации за создание основ мировой индустрии одностенных углеродных нанотрубок и научное обоснование новых методов диагностики неравновесных систем и управления ими. Впервые в России открытия в области фундаментальной физики привели к основанию высокотехнологичной компании, капитализация которой в этом году достигла 1,5 млрд долл. Это позволило авторитетным западным экспертам включить OCSiAl в Global Unicorn Club, признав ее компанией-единорогом.

OCSIAL запустила крупнейшую в мире установку по производству нанотрубок

Компания OCSiAl, портфельная компания, АО «Роснано» запустила в Новосибирске крупнейшую в мире установку по синтезу графеновых нанотрубок Graphetron 50. Производственная мощность достигает 50 тонн продукции в год. Это в два раза больше, чем мощность первой установки Graphetron 1.0, созданной в 2014 году. Проект по созданию установки Graphetron 50 получил поддержку от Фонда развития промышленности России. Общая стоимость проекта составила 1,3 млрд руб.

Графеновые нанотрубки выпускают в виде порошка. Это универсальный аддитив, который вводят в материалы с целью улучшения свойств: прочность, электропроводность. Например, с добавлением трубок у шин сокращается тормозной путь и снимается статический заряд.

На открытии производства председатель правления УК «Роснано» Анатолий Чубайс сообщил, что OCSiAl является одним из самых успешных проектов в портфеле госкомпании. На начало 2020 года стоимость OCSiAl превысила $1 млрд. Глава Роснано назвал запуск событием международного значения, поскольку «ничего сопоставимого с этим на земном шаре не делал никто».

Читайте также  Высоковольтный преобразователь напряжения на катушке зажигания

«Мы запускаем промышленную установку, изготавливающую материал, обладающий прочностью в 150 раз выше стали. Если по-крупному посмотреть на российский инновационный бизнес за последние 20-25 лет, то в виртуальном мире лидирует «Яндекс», а вот в реальном секторе — именно «OCSiAl», — заявил Чубайс.

Также он поделился воспоминаниями, почему поверил в проект производства нанотрубок еще в 2009 году: «Когда ко мне подошел молодой и нахальный предприниматель Юрий Коропачинскиий, я посмотрел в его честные глаза и решил, что этот сможет».

Гостям впервые были показаны пультовые обеих установок синтеза нанотрубок, лаборатории полимерных материалов и электрохимических источников тока. Кроме того, сотрудники продемонстрировали продукты с применением графеновых нанотрубок, производимыми партнерами OCSiAl по всему миру.

Уникальность технологии OCSiAl в том, что она позволяет производить графеновые нанотрубки высокого качества «as produced» в промышленных масштабах, что впервые делает возможным их использование в массовых продуктах. При выходе на рынок в 2014 году OCSiAl предложила потребителям графеновые нанотрубки по цене в 75 раз ниже, чем у ближайшего конкурента. Стоимость продукта составляет около $2 тыс. за килограмм.

Губернатор Новосибирской области Андрей Травников отметил, что создание такого производства — это результат совместной работы компании с академическим сообществом. «Удалось трансформировать знания — в бизнес, открытия — в промышленность. Введение второй установки по синтезу графеновых нанотрубок — очень яркий и успешный пример решения вечной проблемы инноваций в России», — сказал Травников.

Где выгодно использовать

Как считает глава компании Юрий Коропачинский, особое достижение команды ученых OCSiAl — это разработка концентратов TUBALL MATRIX, которые содержат предварительно диспергированные нанотрубки и позволяют легко вводить их в материалы, не нарушая стандартные производственные процессы.

«От внедрения нанотрубок практически любые материалы выигрывают. Но больше всего выигрывают полимеры. Они могут прибавить в свойствах кратно. Если говорить о материалах с точки зрения рынка, то это, безусловно, рынок литий-ионных батарей. Это связано в первую очередь со спросом на батареи с улучшенными свойствами», — сообщил президент OCSiAl.

Добавление нанотрубок в кремниевые аноды аккумуляторов увеличивает срок службы батарей. Это позволяет им соответствовать строгим требованиям для аккумуляторов, используемых в электромобилях.

Также Юрий Коропачинский рассказал о результатах добавления графеновых нанотрубок в шины. Это позволяет производителям шин улучшить ряд механических и электрических показателей покрышек без негативного влияния на другие характеристики. Преимущества — топливная эффективность, сопротивление истираемости и сцепление с дорогой.

Клиенты и продажи

По данным компании, более 600 компаний по всему миру являются покупателями продукции OCSiAl. В портфеле компании свыше 2000 клиентов, которые тестируют графеновые нанотрубки TUBALL™.

Президент OCSiAl отметил, что компания официально аттестована в качестве поставщика южнокорейского LG и мирового производителя шин Pirelli.

В 2019 году около 90% продукции OCSiAl приходилось на экспорт: основными регионами продаж стали Азия (в основном, Китай и Япония) и страны Европы. В России партнерами OCSiAl разрабатываются уникальные технологии применения нанотрубок, в том числе упрочнение асфальтобетона для дорожного покрытия, антистатический текстиль, напыление нанотрубок на поверхность стекла и другие.

Основными акционерами компании OCSiAl являются ученый Михаил Предтеченский, бизнесмены Юрий Коропачинский и Олег Кирилловов, Юрий Зельвенский и Игорь Ким. OCSiAl стала первой компанией стоимостью $1 млрд в портфеле АО «Роснано». С 2014 года компания показывает ежегодное удвоение выручки, в 2019 году она превысила $14 млн.

Графеновые суперконденсаторы + литиевая батарея – идеальная пара

Графеновые суперконденсаторы, сочетающие в себе уникальные преимущества колоссального накопления энергии за короткий промежуток времени и быструю ее отдачу, в сочетании с литиевыми батареями могут существенно уменьшить вес энергоблока и значительно увеличить пробег и мощность электромобилей.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали модифицированную оксидом металла графеновую пену, которую можно использовать для повышения производительности суперконденсаторов (как плотности, так и времени зарядки). Исследователи утверждают, что эта новая пена обеспечит создание суперконденсаторов, которые накапливают значительно больше энергии, чем современные коммерческие устройства.

Исследователи из Университета Джорджа Вашингтона разработали суперконденсаторы на основе углеродных нанотрубок и графеновых композиционных материалов, которые сочетают в себе высокую энергоемкость и низкую стоимость. Удельная емкость устройства в три раза выше, чем у конденсатора с чистой нанотрубкой. Исследователи объясняют, что гибридная структура полезна, потому что хлопья графена обеспечивают большую площадь поверхности и хорошую проводимость в плоскости, в то время как углеродные нанотрубки соединяют все структуры, образуя единую сеть. Кроме того, способ производства прост, масштабируем и дешев.

Исследователи из Sungkyunkwan из Кореи разработали новые суперконденсаторы, которые могут заряжаться в 1000 раз быстрее, чем нынешние графеновые суперконденсаторы, и при этом имеют в три раза большую емкость. Для достижения короткого времени заряда (и разряда) исследователи использовали вертикально ориентированные чешуйки оксида графена. Они создали пленку оксида графена с использованием углеродной нанотрубки, а затем использовали резку и термообработку для разработки вертикально структурированных графеновых электродов. Все это приводит к образованию электродов, которые работают намного быстрее, чем твердый и вертикально структурированный графен, используемый в существующих суперконденсаторах.

Новые технологии

Основной продукт Nawa Technologies — это углеродный суперконденсатор нового типа, обладающий рядом замечательных преимуществ по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторными элементами.

Преимущества суперконденсатора неоспоримы

Начнем с того, что его скорость заряда и разряда до 1000 раз быстрее по сравнению с батареями. Мы говорим о зарядке всего автомобильного аккумулятора за считанные секунды, в несколько раз быстрее заполнения бака ископаемым топливом.

А поскольку в нем никакая химическая реакция не протекает, а просто происходит физическое разделение протонов и электронов, сверхбыстрая зарядка не вызывает нагревания или набухания батареи. Это обеспечивает углеродному графеновому суперконденсатору исключительно долгий срок службы — до миллиона циклов зарядки.

Скорость разряда суперконденсатора — еще одно преимущество по сравнению с литиевыми батареями. В мощных электромобилях медленная разрядка аккумуляторов часто означает, что вам нужно увеличить емкость аккумулятора, чтобы повысить эксплуатационные показатели. Это абсолютно не проблема для графенового суперконденсатора, поскольку он разряжается достаточно быстро, чтобы стремительно выдавать огромную мощность даже с ограниченной емкости.

Однако главной визитной карточкой углеродного графенового суперконденсатора являются его экологические преимущества. Экологичность проекта заключается в том, что в производстве не используется литий, кобальт, редкоземельные металлы, которые загрязняют окружающую среду, и которын очень сложно добывать. В суперконденсаторах используются только углерод и алюминий.

Проблемы и решения

Помимо того факта, что разработки все еще находится на стадии исследования концепции, существуют еще некоторые проблемы

Во-первых, эти суперконденсаторы все еще имеют меньшую плотность энергии, чем лучшие литиевые аккумуляторы. Пока плотность мощности (величина выходной мощности на единицу веса) не конкурирует с литием. Поэтому автомобильный аккумулятор с суперконденсатором будет иметь значительно большие размеры чем литиевый.

Во-вторых, конденсаторы теряют энергию (саморазряжаются) при длительном хранении. Автомобиль в гараже каждый день будет теряться около 10-20 процентов энергии. Хотя, если суперконденсаторы заряжаются так быстро, владелец может об этом сильно не беспокоиться.

В-третьих, суперконденсаторы сделаны из графена, который насегодняшний день он достаточно дорогой, да и производится в ограниченном количестве.

Но наука и техника развиваются стремительно. Наверняка, скоро будут найдены новые способы получения большого количества графена по низкой цене. Примером могут служить первые микросхемы или мобильные телефоны, которые стоили когда-то достаточно дорого.

Суперконденсаторы очень эффективны при приеме или передаче значительного количества энергии, что делает их подходящим «партнером» для батарей. Первичные источники энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают в качестве непрерывного источника малой мощности, но не могут эффективно справляться с пиковыми потребностями в энергии или мгновенно улавливать энергию. Батареи разряжаются и перезаряжаются достаточно медленно. Суперконденсаторы обеспечивают быстрые выбросы энергии при пиковых потребностях в энергии, а затем быстро накапливают энергию и улавливают избыточную мощность, которая без их использования попросту теряется. В примере с электромобилем графеновый суперконденсатор может обеспечить необходимую мощность для ускорения, в то время как батарея обеспечивает дальность и перезаряжает суперконденсатор между скачками напряжения.

Гибрид: графеновые суперконденсаторы + литиевая батарея = оптимальный вариант

Потенциал графенового суперконденсатора в полном объёме может реализоваться, когда он соединится с литиевой батареей. Гибридная литиево-углеродная аккумуляторная система может предложить лучшее из обоих миров — длительное непрерывное вождение и долговременное накопление энергии благодаря литиевому блоку, а также сверхбыструю частичную зарядку и экстремальную выходную мощность благодаря суперконденсатору.

У этого типа гибридной системы есть еще одно скрытое преимущество: рекуперативное торможение могло бы быть значительно лучше при возмещении энергии. Современные системы регенерации вынуждены терять большую часть энергии, генерируемой через колеса при торможении обратно в батарею, просто потому, что литиевый аккумулятор заряжается так медленно, что не успевают происходить химические реакции. Таким образом большая часть энергии при рекуперативном торможении теряется в виде тепла – это около 80 процентов. Электродвигатели очень эффективно генерируют эту мощность при торможении, но батарея просто не может принять ток при высокой скорости зарядки. Если объединить технологию суперконденсаторов с литиевой батареей появится возможность принять до 90 процентов этой энергии.

В электромобилях такая система будет наиболее эффективной: она сохраняла бы почти всю энергию торможения, а затем выдавала бы ее обратно с огромной скоростью для стремительного ускорения при последующем разгоне.

За счет этого, объединив суперконденсаторы с литиевой батареей, можно уменьшить размер и вес аккумуляторного блока на одну треть и тогда появится возможность проезжать большее расстояние, поскольку энергия будет использоваться намного эффективнее.

Читайте также  Изготовление органических oled светодиодов

Это не фантастика – это реальность завтрашнего дня

Исследователи настроены оптимистично. Успешное хранение огромного количества энергии в компактной системе является значительным шагом на пути к усовершенствованной технологии ее накопления. Графеновый суперконденсатор заряжается быстро, можно контролировать его производительность, он обладает долговечностью и гибкостью, что делает его идеальным для использования в миниатюрной электронике и электромобилях.

Потенциал этих сверхбыстрых графеновых суперконденсаторов впечатляет. Так, например, поскольку в автомобильном мире нет никаких ограничений на то, как вы можете заряжать электромобили, открываются новые интересные идеи для индуктивной зарядки. Представьте себе, что вы просто проезжаете на своем автомобиле по кварталу или мимо электрозарядного устройства, где смонтирована индуктивная зарядная станция (например, под полотном дороги), платите on-line за дозаправку и уезжаете не останавливаясь. Такой параметр, как радиус действия электромобиля станет практически неактуальным, если вы сможете заряжать его так быстро даже на ходу.

Соло для нанотрубы

Много раз обсуждал с нашими академиками, почему их идеи не превращаются в товар. Говорят, наше дело — генерировать идеи, а для инноваций нужен другой талант. Получается, что вы исключение? Вы больше академик или инноватор?

Михаил Предтеченский: Наверное, того и другого поровну. А если серьезно, то вы задаете очень важный, даже принципиальный вопрос для каждого ученого. Понимаете, когда проводишь какое-то исследование, а тем более, когда появляется свет в конце туннеля, то видишь массу применений. И сюда пойдет и сюда. Но не случайно инновационный бизнес называют самым рискованным. Здесь из сотни вроде бы прорывных идей в лучшем случае до рынка доходят десяток.

Приведу пример из собственного опыта. Когда-то я возглавлял в Институте теплофизики лабораторию высокотемпературной сверхпроводимости. Тема была очень модная, за открытие этого явления вручили Нобелевскую премию. И за полгода мы вышли на мировой уровень, получали пленки с рекордными свойствами. Кстати, до сих пор этот результат никто не превзошел. Я увидел очевидные сферы применения нашей разработки, например, различные датчики. Был полон надежд, был уверен, что выстроится очередь, засыпят деньгами. Но ни один кошелек не пришел.

Задумался, в чем дело? И тогда понял, надо делать только то, что нужно здесь и сейчас. Вроде бы очевидная мысль. Но как найти свою нишу, казалось бы, на безграничном мировом рынке? Здесь тоже нужен особый талант. Когда начинаешь изучать рынок, оказывается, что все места заняты, везде десятки тысяч конкурентов.

А с нанотрубками из графена вы сразу угадали? Кстати, за метод получения этого материала российским ученым Андрею Гейму и Константину Новоселову была вручена Нобелевская премия.

Михаил Предтеченский: Признаюсь, сразу не прочувствовал, не видел перспективы, кому эти нанотрубки нужны. Хотя в свое время занимался нанообъектами. И здесь, можно сказать, помог случай. На одной из выставок увидел, что, вводя мизерные доли углеродных нанотрубок в различные материалы, можно получить поразительные эффекты, скажем, сделать различные материалы в разы прочнее и легче, превращать диэлектрики в проводники, делать асфальт, который будет стоять в разы дольше. Сферы применения просто безграничны.

Словом, вот он материал, который сможет изменить лицо цивилизации, как когда-то это сделали бронза и железо.

Михаил Предтеченский: Совершенно верно. Но почему же не наблюдается бум таких нанотрубок? Оказалось, все дело в цене: она превышала 150 тысяч долларов в расчете на килограмм. Откуда такая невероятная цифра? Дело в том, что у нанотрубок есть один нюанс: чтобы обладать удивительными качествами, они должны быть одностенными, иметь толщину в один атом. Как только число слоев увеличивается, все достоинства графена «улетучиваются», фактически он превращается в самый обычный графит. Но наладить промышленный выпуск «одной стенки» никак не удавалось, хотя в этой гонке участвовали крупнейшие компании из разных стран. И тогда я подумал, так ведь это и есть та самая прорывная идея, которая нужна здесь и сейчас.

И так вышло, что меня пригласил на день рождения знакомый бизнесмен Юрий Коропачинский, который тогда находился в Австралии. Он и его партнеры искали идею для инвестирования. И вот сидим мы на далеком континенте, обсуждаем разные проекты, и я предложил нанотрубки. Идея заинтересовала. Так появился наш проект — компания OCSiAl.

А как вы их убедили, что напали на золотую жилу? Ведь бизнес на аркане не затащить вкладываться в идеи. Их только готовый образец может убедить. Он у вас уже был?

Михаил Предтеченский: Нет. Но был уникальный плазменный реактор. Почему уникальный? Дело в том, плазматроны известны давно, они применяются в самых разных технологиях. Но электроды, которые создают электрическую дугу, работают всего часы и даже минуты, а затем разрушаются. Надо останавливать процесс и ставить новые, а они довольно дорогие. Мне пришло в голову простое решение: сделать электроды жидкими, из расплавленных металлов. Тогда они будут фактически вечными. Этот реактор и стал основой нашей технологии, инкубатором, где мы начали выращивать нанотрубки килограммами. На создание же промышленной установки ушло около пяти лет.

Расскажете о ней подробней. В чем суть?

Михаил Предтеченский: Прежде всего надо подчеркнуть, что одностенные нанотрубки обычно получают на поверхности, а мы выращиваем в объеме. Как? Чтобы что-то выросло, нужно зерно. У нас зерно — это нанокатализатор. Создаем его в реакторе, где температура свыше 1000 С, сюда же вводим углеводород, скажем, метан. Он начинает разлагаться на поверхности нанокатализатора, выделяя углерод. А дальше самое главное наше ноу-хау: надо создать такие условия, чтобы из атомов углерода начали прорастать нанотрубки с толщиной стенки в один атом. Вот такая технология.

Ей уже больше пяти лет. Все конкуренты знают и про жидкие электроды, и про объем, но повторить не могут. Академик Фортов, комментируя вашу работу, сказал, что в ней собран целый букет самых разных наук, расплести который конкурентам будет крайне сложно.

Михаил Предтеченский: Владимир Евгеньевич прав. Если я вам все расскажу про эту технологию, синтезировать нанотрубку не получится. Там действительно сконцентрировано очень много знаний. Когда-то мы оценивали отрыв в три года, но прошло намного больше, а конкурентов поблизости не видно.

Но нанотрубки сами по себе мало кому интересны, их надо научиться вводить в разные материалы, где они творят настоящие чудеса, на порядки улучшая качества. А это еще одна технология, например, трубки надо очень равномерно распределить.

Михаил Предтеченский: Вы правы. Клиенту надо показать товар лицом, показать, что нанотрубки преобразят выпускаемый им материал. А для этого нам пришлось разработать специальные технологии получения разных материалов, обогащенных нанотрубками. Но игра стоит свеч: такая агитация действует намного эффективный.

Впрочем, нанотрубки можно не только вводить в разные материалы, из них можно создавать совершено новые, ранее не существовавшие. Например, мы сделали «бумагу» суперпрочную и с высокой электропроводностью. Заменив ею медную экранирующую оплетку в высокочастотных кабелях, можно снизить вес кабеля на 40 процентов, сделать его гибким. Например, в авиалайнере несколько тонн таких кабелей.

Сколько сейчас вы производите нанотрубок? Каковы перспективы?

Михаил Предтеченский: Наверное, на данный момент производим 50 тонн в год. Пока объем рынка равен нашему производству, которое удваиваем каждый год. По мнению экспертов, через 25 лет нанотрубки изменят более 75 процентов всех известных человечеству материалов, годовой объем их производства достигнет тысяч тонн, что эквивалентно нескольким триллионам долларов.

Ваш успех впечатляет. Особенно на фоне одного процента наших высоких технологий на мировой рынке. Сколько мы говорим о внедрении, о коммерциализации идей, но ничего не получается. Когда-то в СМИ была рубрика «Если бы я был директором. » Что бы вы сделали, став таким всемогущим директором?

Михаил Предтеченский: Я много по миру поездил, работал с разными компаниями, изучал их опыт. Что прежде всего надо отметить? Россия была и остается страной богатой креативными учеными. Но им надо создать условия, и, прежде всего, правильно мотивировать. Сегодня приоритет нашего ученого — публикации и патенты. Но это имеет очень опосредованное значение для задач экономики. А на внедрение, на инновации нет стимулов. Поэтому ученый будет всю жизнь писать статьи и патенты.

Ученые говорят, что у них идей полные портфели. Пусть бизнес приходит и выбирает, что ему надо. Так происходит за границей, где за идеями фирмы гоняются.

Михаил Предтеченский: Все это иллюзии. Нигде бизнес никуда не ходит, ни за чем не гоняется. Тем более за рискованными инновациями. Его надо постоянно убеждать, даже навязывать новинки. И тогда он, может быть, вас услышит и двинется навстречу. Но это, поверьте, тяжелейшая работа.

У вас довольно редкая фамилия. Знаете ее корни?

Михаил Предтеченский: Кое-что знаю. Мой прадед был священником. По этой причине брат деда эмигрировал в Польшу. Мы не так давно об этом узнали. Его внучка нашла меня по научным статьям. Оказалось, что в Европе есть дальние родственники.

Михаил Рудольфович Предтеченский родился в 1957 году в г. Гусиноозерске Бурятской АССР. После окончания Новосибирского электротехнического института пришел работать в Институт теплофизики СО РАН. Эта запись так и осталась единственной в его трудовой книжке. Здесь он стал самым молодым заведующим лабораторией, возглавив ее уже в 30 лет. Им получены приоритетные результаты в молекулярной физике, физике плазмы, теплофизике, высокотемпературной сверхпроводимости и т.д. Ученый — автор и соавтор 303 научных работ, 51 авторского свидетельства и патентов. Он создал единственную в мире промышленную технологию производства одностенных углеродных нанотрубок. Эта работа удостоена Государственной премии 2019 года.