В течение многих лет ряд учёных занимались поиском безопасных методов использования чистого лития – мощного, но исключительно легковоспламеняющегося элемента – в наших аккумуляторах. Лауреат Нобелевской премии Джон Гуденаф, известный как “отец” литий-ионных батарей, объявил о разработке инновационного решения. Гуденаф и его команда из Техасского университета в Остине создали первые твердотельные элементы батареи. По их утверждениям, данная технология позволит обеспечить более безопасную и быструю зарядку аккумуляторов, а также существенно продлить их срок службы. Если это изобретение будет реализовано, то электромобили смогут конкурировать с автомобилями на традиционных видах топлива по цене, а мобильные устройства и системы стационарного хранения энергии получат значительно больший ресурс работы.
Статья Гуденафа и его соавторов вызвала огромный интерес в научном сообществе и была опубликована в авторитетных изданиях.
По его оценкам, батарея такого типа может хранить в 5-10 раз больше энергии, чем привычные литий-ионные аккумуляторы. Однако ученые стали задавать вопросы относительно возможности сохранить такое количество энергии и при этом не нарушить основные законы термодинамики.
Гуденаф сообщил, что в его элементе батареи было достигнуто 10-кратное повышение плотности энергии в одном эксперименте, и 3-кратное – в другом. В одном из последующих тестов удалось достигнуть даже 30-кратного увеличения – 8,5 кВт·ч/кг. При этом ему не потребовались какие-либо дорогие экзотические материалы – ученый и его команда обошлись натрием и серой. Если все-таки Гуденафу удастся разрушить сомнения научного сообщества, его аккумулятор действительно может получить широкое применение.
Неудивительно, что работа Гуденафа и его команды вызвала волнение среди представителей науки. 28 февраля Техасский университет сообщил, что ученые придумали способ внедрения анода из чистого лития или натрия, который из-за своего энергетического потенциала был главной целью на протяжении десятилетий. Ключевым фактором, позволившим этому случиться, стало использование стекла в качестве электролита, которое соединило два электрода батареи и способствовало перемещению ионов для выработки электричества.
Однако другие ведущие исследователи в этой области скептически отнеслись к открытию Гуденафа. Они уверены, что если внимательно изучить исследование, то станет ясно, что ученый ставит под сомнение законы термодинамики, которые являются основополагающими для разработки аккумуляторов уже более полувека.
Длинная карьера Гуденафа определила современную индустрию батарей. Исследователи полагают, что его измерения точны. Но никто, кроме Гуденафа и его коллег, кажется, не понял его новую концепцию. Сообщество исследователей не желает открыто бросить вызов человеку, определившему развитие индустрии. «Если бы кто-то другой опубликовал такую статью, я бы вряд ли смог найти вежливые слова», – отмечает профессор из Принстонского университета Даниэль Штейнгарт (Daniel Steingart).
Гуденаф не отвечает на письма, но в заявлении, опубликованном на сайте Техасского университета, где он продолжает работать, он сказал: «Мы считаем, что наше открытие решает многие проблемы, которые присущи современным батареям. Стоимость, безопасность, плотность энергии, уровень заряда, разряда и жизненного цикла являются критическими для автомобилей, работающих от батареи, которые пока не могут получить широкое распространение». Кроме того, ведущий автор исследования Хелена Брага (Helena Braga) в ответных письмах утверждает, что изобретение команды действительно работает.
Несмотря на все его заслуги, последняя работа поставила научное сообщество в тупик. В статье так и не сказано, как новое изобретение Гуденафа может хранить энергию? Известные законы физики твердого тела диктуют, что для получения энергии из различающихся материалов необходимо производить различающиеся электро-химические реакции в двух противостоящих электродах. Эта разница создает напряжение, позволяя энергии сохраняться.
Но элементы аккумулятора Гуденафа и его команды состоят из чистого лития или натрия с обеих сторон. Следовательно, напряжение должно быть равно нулю. Ученый сообщает, что плотность энергии увеличена в несколько раз по сравнению с привычными батареями. Откуда берется энергия, если нет реакции, протекающей в электродах? В научной работе этот вопрос оставлен без ответа.
Профессор Штейнгарт провел анализ работы Гуденафа и назвал скрытую в элементе энергию «аномальной способностью». И он также спрашивает, не просочился ли кислород в элементы батареи, что могло непреднамеренно создать литий-воздушную батарею, что объясняло бы такую плотность энергии. Литий-воздушные батареи – это второй Святой Грааль в науке, еще более неуловимый, чем анод из чистого лития. Еще никому не удавалось сделать такой элемент, который продержался дольше нескольких циклов.
Хелена Брага, в свою очередь, отрицает «литий-воздушное» объяснение, настаивая на том, что их элементы батареи являются твердыми. Также она отмечает, что в ходе эксперимента их аккумулятор выдержал сотни циклов – дольше, чем любой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор.
В течение почти четырех десятилетий Гуденаф являлся ключевой фигурой в мире современных аккумуляторов. В 1980 году он изобрел литий-кобальт-оксидный катод, который поступил в продажу в 1991 году. Однако с тех пор те аккумуляторы, которые массово поставляются на рынок, оставляют желать лучшего. Современная технология создания батарей является серьезным препятствием для развития технологий будущего, включая массовое производство электромобилей. Батареи для них слишком дорогие и они долго заряжаются.
