Сера вместо кобальта: решит ли новая технология проблемы электромобилей

Исследователи из США и Китая опубликовали в журнале Nature Communications статью об экспериментальном аккумуляторе. Он впятеро превосходит по емкости литий-ионные батареи. Кроме того, такое устройство обойдется дешевле и нанесет меньше вреда окружающей среде. Интересно, что ключевые решения разработчики подсмотрели у живой природы.

Вообще-то такие аккумуляторы не помешали бы во всех отраслях, от производства гаджетов до управления энергетикой. Но, наверное, самая заманчивая сфера применения — производство электромобилей. Впрочем, так ли все просто с идеей заменить бензобаки на батарейки? 

Слабое звено

Электромобили имеют много преимуществ перед машинами, работающими на ископаемом топливе. КПД электродвигателя превышает 90%, против 25-30% у карбюраторного бензинового двигателя. Кроме того, электродвигатель проще и, как следствие, надежнее двигателя внутреннего сгорания. Наконец, электромобиль в процессе работы не загрязняет окружающую среду и не выделяет в атмосферу парниковые газы (чего, впрочем, нельзя сказать о производстве самого автомобиля и необходимой ему энергии).

Конечно, у электромобилей есть и недостатки, но многие из них связаны не с машинами как таковыми, а с литий-ионными аккумуляторами. Эти батареи дороги, у них сравнительно небольшая емкость, из-за чего типичный запас хода автомобиля составляет 200-400 км, а потом ему требуется долгая зарядка. Температурный диапазон нормальной работы этих аккумуляторов тоже невелик: от –20 до +50°C, так что с ними могут возникнуть проблемы как на русском морозе, так и под жарким солнцем юга. Наконец, такие батареи содержат токсичные металлы.

Поэтому многие научные группы разрабатывают аккумуляторы других типов. В числе возможных альтернатив называются литий-серные, алюминий-ионные, металл-воздушные и другие устройства. Однако все они имеют те или иные недостатки, мешающие выйти на рынок.

Хрящи из бронежилетов

Литий-серные аккумуляторы похожи на литий-ионные. Анод в них тоже сделан из лития, и ионы этого металла выступают переносчиками заряда. Но катод литий-серного элемента сделан из серы, а не из кобальта или его сплавов.

Такое решение имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, оно в несколько раз повышает емкость аккумулятора. Во-вторых, сера намного дешевле кобальта. В-третьих, она безопаснее с точки зрения экологии. Чистая сера, в отличие от кобальта, не ядовита (хотя токсичны ее летучие соединения, например, образующийся при горении сернистый газ).

Ахиллесова пята литий-серных аккумуляторов — срок службы. Он измеряется всего лишь десятками циклов зарядки и разрядки. Правда, некоторые разработчики демонстрировали аккумуляторы, выдерживающие сотни циклов перезарядки, но это всегда делалось за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости или безопасности.

Проблемой становятся полисульфиды лития — соединения лития и серы, быстро облепляющие литиевый анод и снижающие емкость батареи. Кроме того, на аноде нарастают узкие и длинные литиевые шипы (дендриты). Дотянувшись до катода, они вызывают короткое замыкание.

Напрашивается решение: поставить между анодом и катодом перегородку, не пропускающую молекулы полисульфидов и достаточно прочную, чтобы устоять перед литиевыми дендритами. Проблема в том, что она должна пропускать ионы лития, дрейфующие от катода к аноду, иначе аккумулятор просто не будет работать.

Теперь новаторы создали именно такую перегородку, «подсмотрев» ее конструкцию у живых организмов. 

Мембрана состоит из тех же молекул, что и кевлар — популярный материал для бронежилетов. Но это не просто тонкий кусок кевлара. Перегородка состоит из нановолокон, сплетенных в структуру, имитирующих хрящ животного или человека. Особое строение придает хрящевой ткани удивительную прочность, хотя состоит она далеко не из самых прочных веществ. Такая же структура из кевларовых нановолокон представляет собой неодолимую преграду для литиевых дендритов.

Вторая половина задачи — пропускать через мембрану одни ионы и задерживать другие. Ионы лития и его полисульфидов имеют примерно одинаковый размер, поэтому перегородку нельзя было сделать по принципу решета. Здесь материаловеды тоже позаимствовали технологию у природы, а именно — у ионных каналов в мембране клетки.

Отрицательные ионы полисульфидов лития быстро прилипают к нановолокнам. И этот тончайший слой отталкивает новые ионы полисульфидов (вспомним, что одноименные заряды отталкиваются). В то же время положительные ионы самого лития свободно проходят сквозь нанометровые поры.

Важно, что изготовление хитроумно устроенной мембраны не требует «ручной работы»: оно происходит методом самосборки. Иначе говоря, химики ставят субстрат в такие условия, при которых эта сложная структура возникает самопроизвольно. Учитывая, что материалом для мембраны могут быть списанные кевларовые изделия, это решение не выглядит слишком дорогим.

В лаборатории прототип нового аккумулятора выдержал более 3500 циклов перезарядки. Ученые надеются, что при реальной эксплуатации его хватит на тысячу циклов. Примерно столько же служат и литий-ионные аккумуляторы, но емкость новой батареи будет впятеро выше, а значит, заряжать ее придется впятеро реже. А еще система успешно работает при температуре до +80°C, что выгодно отличает ее от литий-ионных батарей.

Баррель дегтя

Однако нельзя сказать, что замена литий-ионных аккумуляторов на литий-серные решит все проблемы. В частности, вопросы останутся у экологов. Замена токсичного кобальта на более безопасную (хотя и вовсе не безобидную) серу — это хорошая новость, но как быть с литием? Конечно, он составляет считанные проценты от массы аккумулятора. Но при массовом производстве электромобилей нужно будет предотвратить попадание этого вещества в окружающую среду. При этом извлечение лития из отработавших свой срок аккумуляторов нерентабельно: такой металл обходится дороже, чем добытый из руды. Конечно, этим все равно стоит заниматься из экологических соображений, но разницу в цене придется перекладывать на плечи либо покупателей электромобилей, либо налогоплательщиков.

Между тем перспектива окончательного искоренения бензиновых двигателей упирается в куда более серьезную проблему: откуда, собственно, мы возьмем столько электроэнергии?

Рассмотрим для примера США как первую экономику мира. В 2019 году в этой стране было продано более 550 млрд литров бензина. При сгорании этого топлива выделилось около 5 трлн кВт⋅ч энергии. Учитывая низкий КПД бензиновых двигателей и высокий — электрических, разделим эту цифру на три. Получим, что для замены всех бензиновых (не считая дизельных и газовых!) автомобилей электрическими потребовались бы дополнительные 1,7 трлн кВт⋅ч электроэнергии. При этом выработка электроэнергии в США в том же году составила 4,1 трлн кВт⋅ч. То есть ее пришлось бы увеличить более чем на 40%!

Конечно, это очень грубая прикидка. Например, часть электроэнергии тратится на производство бензина. Наверняка для получения «честного» результата придется учесть еще десяток-другой факторов. Однако в целом результат не изменится: у нас просто нет столько электричества, чтобы отказаться от бензина. 

А при попытке им обзавестись мы получим те же экологические проблемы, только в профиль. Это загрязнение атмосферы и парниковый углекислый газ от тепловых электростанций, ядерные отходы от атомных, коренное изменение ландшафтов при строительстве гидроэлектростанций. Сомнительные экономические и экологические перспективы возобновляемых источников энергии требуют отдельного разговора. Заметим, что в тех же США при всем обилии технологий и долларов доля ВИЭ (без учета гидроэлектростанций) в производстве электроэнергии в 2020 году составила лишь 13%.

Так что, пожалуй, полностью пересесть на электромобили мы сможем, только когда энергетика станет термоядерной. А до этого волнующего события, как известно, всегда остается 30 лет.