Энергаз2

Экспертное мнение

Суперконденсаторы — накопители энергии нового поколения

10.12.2015
Семен Червонобродов, руководитель проекта «Конгран»

Сегодня прогресс зачастую сдерживается возможностями существующих накопителей энергии. Бытовая электроника, электромобили и летательные аппараты нуждаются в долговечных элементах питания, способных заряжаться в считанные минуты. Возможно, решить проблему помогут суперконденсаторы — накопители энергии нового поколения с высокой плотностью энергии и мощности.
Над созданием суперконденсаторов работают исследователи нескольких стран, в том числе российский проект «Конгран».

Справка EnergyLand.info

Отходя от научной терминологии, суперконденсатор можно назвать гибридом конденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд) и химического источника тока (батарейки или аккумулятора).

Первые электрохимические суперконденсаторы были созданы более 50 лет назад, на основе пористых углеродных электродов, при этом они имели симметричную схему работы (см. рис.1). Сегодня они применяются в ряде электроприборов.

В сравнении с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда - разряда и большим ресурсом.

Гибридный суперконденсатор — это гибрид электрохимического  суперконденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд в двойном электрическом слое) и химического источника тока (аккумулятора, накапливающего заряд благодаря химическим реакциям на катоде).

Чтобы создать гибридный суперконденсатор используются катоды особого типа. Их изготавливают из гипероксидированных графенов. Это позволяет использовать преимущества симметричных суперконденсаторов и аккумуляторов.

Графен — двумерная модификация углерода, в которой атомы расположены в один слой. По сути графен — это плоскость графита, отделённая от объёмного кристалла. Электроны в графене обладают максимальной подвижностью среди всех известных материалов. Графен отличает высокая химическая устойчивость.

Гипероксидированный графен — один из передовых наноматериалов. Его отличает наличие дополнительной оксидной группы, позволяющей проводить реакции окисления – восстановления на катоде гибридного суперконденсатора.

Фото: Принцип работы электрохимического суперконденсатора

Рис. 1. Принцип работы электрохимического суперконденсатора

 

На вопросы EnergyLand.info отвечает Семен Червонобродов, руководитель проекта, к.ф-м.н, руководитель отдела наноуглеродных материалов НИЦ «Курчатовский институт»:

— Как возникла идея создания накопителей энергии нового поколения с высокой плотностью энергии и мощности? Какие актуальные проблемы должна решить Ваша разработка?

— Наша компания «Конгран» возникла в содружестве академической науки и частного бизнеса. Мы ведем разработки в области создания и применения графеновых материалов.

Перспективность этих материалов для электродов суперконденсаторов стала очевидна специалистам уже несколько лет назад. Однако надо  было найти такие модификации этих материалов, которые сочетают в себе различные, иногда довольно противоречивые требования. В частности, мы  предложили  использовать гипероксидированный графен для катодов гибридных суперконденсаторов. Это позволило резко поднять плотность энергии и мощность накопителей данного типа.

Сочетание таких свойств в энергонакопителях востребовано во многих технических устройствах. Например, было бы здорово, если бы батарея мобильного телефона или планшета могла полностью зарядиться в течение 10-15 минут. Также накопители на суперконденсаторах могли бы найти применение в мелкой бытовой технике, ручном электроинструменте, на транспорте и даже в составе бытовых роботов.

Сегодня растет количество генерации на возобновляемых источниках энергии. Режим работы солнечных и ветряных электростанций, как известно, имеет суточные колебания.  Чтобы компенсировать их, нужны предельно дешевые энергоемкие и мощные накопители.

Сравнение характеристик современных химических источников тока: схема

Сравнение характеристик современных химических источников тока

 

— Каковы технические основы работы Вашей системы?

— Мы используем катоды из гипероксидированных графенов. Они позволяют поднять  рабочее напряжение, улучшить циклические характеристики по сравнению с литиевыми аккумуляторами, избежать применения токсичных материалов в электродах.

Компанией «Конгран» разработаны новые (модифицированные) методы получения окиси графена и восстановленной окиси графена (ВОГ). На этой основе удалось создать прототипы двух накопителей электрической энергии, принципиально отличающихся по физическим принципам действия. Первый — суперконденсаторы с высокой для этого типа энергонакопителей удельной емкостью. Второй — литий-ионные гибридные суперконденсаторы с принципиально новым катодом на основе химически связанного кислорода с ВОГ. Также создан новый, экологически чистый электролит на основе полиаминокислот.

— Какие характеристики позволяют называть данное решение инновационным? Есть ли аналоги на мировом рынке?

— Начну со второго вопроса. На рынке аналогичных устройств пока нет, однако  наши зарубежные коллеги активно занимаются разработками в этом направлении. Известно, что несколько стартапов уже имеют серьезное финансирование, предназначенное для разработки и выхода на рынок. Так, например, интересные результаты представил израильский стартап Storedot, созданный нашими бывшими соотечественниками.

Какой из подходов окажется наиболее перспективным, покажет дальнейшее развитие, однако  нами уже всерьез интересуются  крупные профильные зарубежные компании.

— На какой стадии разработка находится сегодня?

— В настоящее время мы тестируем экспериментальные образцы суперконденсаторов и гибридных модификаций суперконденсатор-аккумулятор. А также работаем над удешевлением их производства.

Микрофотографии графена и его производных

Микрофотографии графена и его производных

 

— Расскажите о рыночных перспективах продукта. Кто может стать его основным потребителем?

— Рынок, на который мы ориентированы, сопоставим, по нашему мнению, с рынком литиевых аккумуляторов. В ряде случаев им придется уступить пальму первенства, особенно там, где важны большие мощности и частые циклы заряда–разряда. Однако аккумуляторщики быстро начали развивать тему супербатарей с наноуглеродными добавками в виде нанотрубок и графенов в катодах. Удельная мощность таких аккумуляторов растет стремительно. По–видимому, каждое из устройств сможет занять свою нишу, связанную с особенностями характеристик заряда – разряда каждого из них.

— Какой экономический эффект может дать внедрение суперконденсаторов в тех или иных отраслях?

— Будущее за принципиально новыми видами транспорта: электромобилем, электросамолетом, электровертолетом. Также на транспорте начинают использоваться электросиловые трансмиссии, например в тракторах. Появились мощные электрические двигатели с удельной плотностью мощности 5 кВт/кг, которые смогут конкурировать с турбинами в авиации. Во всех этих системах суперконденсатор необходимый элемент.

Однако, на мой взгляд, следует оценивать экономический эффект от применения всей инновационной схемы. Если допустить, что гибридный суперконденсатор сможет решить проблему надежного сохранения ценной информации при отключении суперкомпьютера, то очевидно, что цена суперконденсатора будет на много порядков меньше, чем цена потерянной информации.

Сотрудник ООО «Конгран», аспирант ИБХФ РАН А.А. Мальцев проводит измерение характеристик нового суперконденсатора

Сотрудник ООО «Конгран», аспирант ИБХФ РАН А.А. Мальцев проводит измерение характеристик нового суперконденсатора

 

— Кто финансировал данную разработку? Получали ли Вы поддержку от государственных или частных структур? Как строится взаимодействие с Фондом «Сколково»?

— Финансировали учредители, и мы получили грант от Фонда поддержки малых предприятий (Фонд Бортника). В настоящее время выделен Грант от Фонда «Сколково». На первом шаге это мини-грант, а затем мы рассчитываем на участие стратегического инвестора, совместно с Фондом «Сколково».

Сотрудники ООО «Конгран» — н.с. А. Р. Бикмуллина и проф. В.М. Гольдберг обсуждают результаты измерения ИК-спектров новых углеродных материалов

Сотрудники ООО «Конгран» — н.с. А. Р. Бикмуллина и проф. В.М. Гольдберг обсуждают результаты измерения ИК-спектров новых углеродных материалов

 

— Каковы дальнейшие планы команды разработчиков? В чем состоят Ваши первоочередные задачи? Планируется ли привлекать новых инвесторов?

— Наша первоочередная задача — выполнить условия мини-грантового соглашения, над которым мы интенсивно работали с Фондом «Сколково». Конечно, по мере  развития проекта будут ответвляться все новые и новые инновационные направления.
Тогда и поговорим о новых инвесторах.

 

Подготовила Кира Патракова
Иллюстрации предоставлены компанией «Конгран»






О проекте Размещение рекламы на портале Баннеры и логотипы "Energyland.info"
Яндекс цитирования         Яндекс.Метрика