Про суперконденсаторы, нанотехнологии
и распил бабла
Преамбула
Если помните, в советское время был
массовый научно-популярный журнал для школьников «Юный техник» (не исключено,
что он продолжает существовать и сейчас, но мизерными тиражами - это безбожная
советская власть считала, что дети должны изучать науку и технику, а нынешняя
власть считает, что дети должны в школах учить слово божие на уроках ОПК, а во внешколькое время молиться в гундяевках
и (или) курить и пить пиво в подворотнях (судя по выступлениям всяких кирилфроловых, любые другие альтернативы сегодня приравниваются
к экстремизму))
Ну так вот, в этом журнале была
рубрика под названием «Патентное бюро» (сокращенно «ПБ»), на адрес которого
школьники могли присылать какие-нибудь изобретательские и рационализаторские
предложения. Наиболее удачные изобретения публиковались, их комментировали
настоящие специалисты, особо удачливым даже давали «поxти
настоящие» авторские свидетельства.
И была в этой рубрике подрубрика под названием «Улыбка ПБ»,
в которой высмеивались приходившие в редакцию письма с изобретениями, казавшиеся
редакции нелепыми и смехотворными (сами понимаете, без шизы
тут никогда не обходится).
Помнится, году в 1988-89 в этой рубрике высмеивалось одно
рацпредложение, автор которого предлагал улучшить обслуживание посетителей
парикмахерских с помощью компьютера. Идея предлагалась следующая: в компьютер
вводится фотография лица клиента, далее на компьютерном экране к этому лицу
примеряются различные варианты стрижки или причёски, и клиент сам видит, какие
из вариантов ему лучше всего подойдут.
Это разумное рацпредложение редакция журнала тогда высмеяла,
мотивируя это тем, что автор - неисправимый фантазёр, потому что поставить
компьютер в каждой парикмахерской возможно будет
только через неизвестно сколько поколений.
И что вы думаете - всего лишь 1-2 года спустя тот же самый
журнал, захлёбываясь от восторга, рассказывал нам про ту же самую технологию,
которая успешно практикуется в Японии. И с подтекстом - типа, вот как круто
умеют на Западе, это вам не наши русские совки.
То есть, как видите, у нас всё до сих пор остаётся так же,
как во времена паровоза Черепановых, самолёта Можайского и радио Попова - изобретают
это всё у нас, но на наших отечественных изобретателей власти внимания не
обращают, а предпочитают покупать у заграницы.
Ну так вот, а теперь к основной.
Летом 2010 года я разместил на ряде сайтов в интернете
рацпредложение, которое полностью публикую:
«Уже в течение нескольких лет в России широко пиарится
понятие «нанотехнологии», под это понятие
«осваивается» немыслимое количество бюджетных средств. Однако при организации
работ по этой теме сразу произошла подмена понятий. Если в первоначальном своём
варианте понятие «нанотехнологии» включало в себя создание наномашин, то в россиянской
версии всё понятие «нанотехнологии» сводят к созданию
нанопорошков – типа, если тот или иной материал
измельчить до размеров наночастиц (т.е. частиц
размером порядка нанометра), то якобы тогда этот материал приобретёт какие-то
новые уникальные свойства. Об этом хорошо рассказано в статье «Дерьмовые
нанотехнологии» в газете «Лимонка». Естественно,
такой подход создаёт не двигает вперёд прогресса, но
создаёт хорошую основу для «абсолютно честного» разбазаривания денег: сиди в
лаборатории и занимайся хернёй типа дробления разных
материалов на наночастицы, рисуй никому не нужные
графики и участвую в пилении денег.
Впрочем, если у учёных
типа Ковальчука, занимающихся этим направлением, это действительно
принципиальная линия – заниматься не наномашинами, а нанопорошками – то могу предложить проект, действительно
основанный лишь на нанопорошках, но который может
двинуть прогресс вперёд. Вот посмотрим, заинтересуется ли «Роснано»
этим проектом. Если заинтересуется – значит, хоть кто-то там действительно
заинтересован в развитии нанотехнологий (пусть даже и
в таком ограниченном виде). Если не заинтересуются – то, значит, все разговоры
правящих лиц о нанотехнологиях – это лишь обман,
предназначенный для пиления бабла, и ничего больше.
Идея состоит в следующем.
Как известно, для
многих технических устройств (от сотовых телефонов до авто- и электромобилей)
требуются электрические аккумуляторы. Сложность в том, что практически везде
используются аккумуляторы химического типа, в которых электроэнергия
вырабатывается за счёт химических реакций (а при зарядке аккумулятора при
подключении тока происходят обратные реакции). Недостатки химических
аккумуляторов известны – длительное время заряда, слишком малое соотношение
«ёмкость-масса» и т.п. И если для сотовых телефонов и бензиновых автомобилей
подобные аккумуляторы вполне пригодны, то создать, например, электромобиль,
который был бы экономически эффективнее автомобиля, на химических аккумуляторах
невозможно. И сделать тут ничего нельзя – ёмкость и скорость зарядки
определяется механизмом протекающих химических реакций. Путём различных
технологических ухищрений можно улучшить характеристики аккумуляторов на сколько-то процентов. Но не на порядки.
Однако ещё в советские
времена высказывалась идея – вместо аккумуляторов для запасания энергии
использовать конденсаторы. Информацию об имевшихся
разработках конденсаторов для электромобилей см., например, по адресам http://www.minspace.ru/ionix.html
или http://www.minspace.ru/vniiaes3.html.
Преимущества конденсатора понятны: зарядиться он может практически мгновенно
(при подключении к сети достаточной мощности), разрядиться может либо тоже
мгновенно (что может быть важно, когда потребуется выброс большой мощности,
либо, при правильном подключении нагрузки, за то время, которое нужно, с выделением нужной мощности.
Единственная
техническая проблема, которая при этом возникает. Как известно из физики,
ёмкость конденсатора пропорциональна площади его обкладок. И при любых
представимых нам размерах обкладок ёмкость получается чрезвычайно маленькая. Кто
занимался радиотехникой, знают: в радиоустройствах конденсаторы с ёмкостью,
измеряемой микрофарадами (10-6Ф) считаются чуть ли не пределом
мощности. А обычная величина ёмкости используемых в радиотехнике различных
моделей конденсаторов – в пределах 10-12 – 10-8 Ф.
Однако в уже упоминавшихся экспериментах ещё советских времён выход из
положения был найден: в качестве обкладок конденсатора использовать
порошкообразные материалы. В результате суммарная площадь частиц порошка
становится аналогична площади обкладки, и соответственно получается конденсатор
очень высокой ёмкости, вполне эквивалентной ёмкости химических аккумуляторов.
Так вот, наша идея
состоит в следующем. Вместо обычного угольного порошка использовать нанопорошок. То есть такой порошок, частицы которого имеют
размер порядка нескольких нанометров. Если в порошках, используемых в
описываемых экспериментах, размер частиц был, условно говоря, порядка микрона –
то при переходе кнанопорошку размер частиц
уменьшается как минимум в 100 раз, соответственно, площадь их поверхности и
ёмкость конденсатора – в 10 тысяч раз! То есть в несколько тысячпривычных
нам химических аккумуляторов. При том, что в конденсаторах такого типа
соотношение «ёмкость-масса» по определению выше, чем у аккумуляторов.
Ну что, господа Чубайс
с Ковальчуком, гоните деньги на эту разработку. Если не дадите – значит, вы
воры и враги прогресса».
Ну и как вы думаете,
каков результат?
В России, естественно, внедрять это никто и не думал (хотя
живы изобретатели, которые еще в СССР этим занимались, и они ничего не имеют против, чтобы эти разработки
продолжать). Но вот, как недавно узнаю, эти мои предложения сегодня с успехом
реализуются в США. Вот, смотрите сами:
http://ria.ru/science/20120315/596407921.html
«Американские физики
разработали оригинальный и дешевый способ получения графена
с помощью лазера DVD-привода и использовали полученную сверхгибкую
пленку из «нобелевского углерода» для создания ионистора
- гибрида конденсатора сверхвысокой емкости и аккумулятора.
Группа ученых под руководством Ричарда Канера
(Richard Kaner) из
университета штата Калифорния в городе Лос-Анджелес (США) опубликовала новый
«рецепт» изготовленияграфена и предварительные выводы
по его электрическим и механическим свойствам в статье в журнале Science.
Графен представляет собой
одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических
связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими
свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов
и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.
Как отмечают Канер и его коллеги,
с момента открытия графена физики изобрели множество
новых методов его получения. Большинство из них требует особых условий среды
или специализированных компонентов. В январе 2012 года корейские ученые
изобрели более дешевую методику получения графена с
помощью микропленок из никеля при комнатной температуре и на практически любой
поверхности.
Авторы статьи в Science
максимально упростили процесс изготовления «нобелевского углерода». Они
разработали остроумную методику, позволяющую получать графенпрактически
в домашних условиях с использованием подручных средств - пишущего DVD-дисковода
и компакт-диска.
Ученые покрывали компакт-диск специальным раствором оксида
графита, который превращался в тонкую и относительно гибкую пленку после
высыхания. После этого они вставляли DVD-диск в дисковод и обрабатывали его с
помощью программ записи, поддерживающих технологию нанесения рисунков LightScribe.
Два в одном
В результате графит внутри пленки превращается в одиночные
слои графена, хорошо отделенные друг от друга. Канер и его коллеги назвали свое изобретение
«лазерно-гравированным графеном» (LSG, laser-scribed graphene) в честь
технологии, давшей ему жизнь.
Этот материал обладает удивительной гибкостью и сверхвысокой
электрической емкостью, что делает его пригодным для изготовления ионисторов - источников электропитания, соединяющих
преимущества обычных батарей и конденсаторов и лишенных их недостатков.
Ученые собрали экспериментальный гибкий ионистор
и проверили его в деле. По словам исследователей, тысяча сгибаний и разгибаний
не снизили емкости устройства, которая приближается к теоретическому максимуму
для «суперконденсаторов» на базе графена.
Кроме того, даже 10 тысяч циклов зарядки и разрядки снизили емкость ионистора всего на 3,5%. За четыре месяца непрерывных
тестов производительность и свойства устройства не изменились.
Как полагают исследователи, изобретение может быть
использовано в качестве источника питания для гибких дисплеев и других тонких и
миниатюрных электронных приборов. Относительная простота конструкции и
дешевизна LSG-графена позволяет изготовлять такие
батареи уже сейчас».
А вот новость ещё несколько более позднего времени:
Графеновые суперконденсаторы,
созданные корейскими инженерами, готовы к
использованию в электрических автомобилях
Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей
неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает
прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической
энергии. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство
электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные
аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные
стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую
дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие
мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов
увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит
увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.
Одним из направлений повышения эффективности электрических
автомобилей является сбор и повторное использование энергии, превращающейся в
тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям
дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энергии, но
эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой
скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются
секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых
требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования "быстрой" энергии
требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше
всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.
К сожалению, суперконденсаторы еще
не готовы выйти на "большую дорогу", несмотря на то, что они способны
быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо
этого, надежность суперконденсаторов также оставляет
желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов,
постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это
вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля
количество циклов работы суперконденсаторов должно
составить много миллионов раз.
У Сэнтэкумэра Кэннэппэна
(Santhakumar Kannappan) и у
группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение
вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных
материалов современности - графен. Корейские
исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена,
емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных
батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой
электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых
суперконденсаторов способны выдержать без потери
своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.
Уловка, которая позволила добиться столь внушительных
показателей, заключается в получении особой формы графена,
у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи
получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью
ультразвука. Получившийся графеновый порошок был
упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по
шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.
Получившийся материал получился очень пористым, у одного
грамма такого графенового материала его эффективная
площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая
природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M
заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению
электрической емкости суперконденсатора.
Измерение характеристик опытных суперконднсаторов
показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм,
плотность хранения энергии составляет 64 ватта на килограмм, а плотность
электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики
сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов,
плотность хранения энергии которых составляет от 100
до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов
имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или
полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время
является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.
Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная
технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению
исследователей, которые написали, что их "графеновые
суперконденсаторные устройства аккумулирования
энергии уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в
ближайших поколениях электрических автомобилей".