Первое, что приходит в голову при сочетании слов «литий» и «автомобиль», – тяговые аккумуляторы. Но применение металла как носителя энергии может быть куда более нетривиальным. Разработки последнего времени заставляют смотреть на нынешние батареи, как на вчерашний день. Остаётся только пожелать, чтобы эти исследования на экспериментах не закончились.
Для начала оптимистичная новость: 22-23 мая 2010 года переделанная на электротягу малолитражка Daihatsu Mira EV, творение Японского клуба электромобилей, пробежала 1003 километра и 184 метра на одном заряде аккумулятора.
Умельцы уже подали заявку на регистрацию в книге Гиннесса (Guinness World Record), ранее признавшей другое достижение той же команды с той же машиной, установленное 17 ноября 2009 года: 555,6 км пробега без подзарядки от Токио до Осаки.
Новый рекорд был рождён на автодроме в городе Симотсума. В течение 27,5 часа за рулём электромобиля сменяли друг друга 17 человек. Скорость на треке поддерживалась скромной — 40 километров в час.
В самой машине ради снижения веса даже заменили сиденья на углепластиковые «ковши». Поставили шины с низким сопротивлением качению. В общем, поработали над аппаратом серьёзно. Результат: в зависимости от веса пилота и его личного стиля вождения замеренный на кольце расход энергии колебался от 60,5 до 75 ватт-часов на километр.
Хотя подобные рекорды имеют слабое отношение к реальной «дорожной жизни», перед нами нечто вроде маяка, указывающего на дальнейший путь развития автомобильной техники. Тут следует рассказать про аккумулятор на Mira EV.
Это блок литиево-ионных батарей от Sanyo Electric: 8320 цилиндрических элементов с суммарной максимальной ёмкостью в 74 киловатт-часа (и номинальной 50, — уточняет Sanyo).
Внушительные числа. К примеру, современный серийный электромобиль – заметно более крупный, чем Mira, Nissan Leaf – оснащён литиевой батареей на 24 киловатт-часа, которых ему хватает на 160 км пробега. Почему не ставят больше? Дорого — тот же блок «Лифа» стоит порядка $18 тысяч.
При росте выпуска его цена, конечно, пойдёт вниз. Так что можно надеяться на всплеск электрического транспорта. Но по сравнению с баком бензина все эти аккумуляторы всё равно дают слишком мало энергии на килограмм веса.
Потому поиски лучшего решения не прекращаются. И, как ни удивительно, всё тот же литий ещё не сказал своего последнего слова. Он может обернуться несколькими привлекательными вариантами.
Многообещающе выглядят экспериментальные водно-литиевые и воздушно-литиевые батареи с удельной ёмкостью в 3-10 раз большей, чем у обычных литиево-ионных аккумуляторов.
В этих устройствах литий реагирует с кислородом из окружающей среды. И это своего рода шаг от классических аккумуляторов в сторону топливных элементов, горючим в которых служит литий, а не водород.
Кстати, в литиево-ионных батареях при разряде и заряде тоже происходит восстановление и «сжигание» лития, только все реагенты остаются внутри устройства, поэтому оно весит немало. Использование внешнего кислорода как раз и позволяет новому типу батарей поддерживать «стройную фигуру».
Как далеко смогут уехать автомобили с такими батареями — пока говорить рано, а между тем некоторые исследователи идут по этому пути ещё дальше и рассматривают схемы, при которых транспортные средства будут питаться кассетами или картриджами с литием.
Многие помнят школьные уроки химии, на которых в пробирке показывали бурную реакцию крошечного кусочка какого-нибудь щелочного металла (в частности лития) и воды. В ходе такого процесса выделяются H2 и LiOH. Это эффектный, но не очень удобный для автомобиля способ синтеза водорода, к тому же его сложно контролировать.
Теперь Хаошэнь Чжоу (Haoshen Zhou) и его коллеги из японского института энергетических технологий (Energy Technology Research Institute — ETRI) разработали установку, которая позволяет получать при помощи лития сразу и водород, и электрический ток, причём контролируемым образом и безопасно.
Водно-литиевый электрохимический элемент разделён на две камеры. В первой находится анод из металлического лития, погружённый в органический раствор (LiClO4/этиленкарбонат/диметилкарбонат). Во второй — катод из углерода в водном электролите (LiNO3/H2O). Между камерами — стенка из керамического электролита LISICON, пропускающего только ионы лития.
Работает устройство так: анод отдаёт электроны во внешнюю цепь и выделяет в раствор ионы лития, которые проникают во вторую камеру, попадают на катод и там, забирая электроны из цепи, восстанавливают воду, выделяя водород. Интенсивностью образования последнего легко управлять, контролируя ток во внешней цепи, то есть в нагрузке.
Так в новой схеме литий отрабатывает своё энергетическое содержание по полной: от установки можно получать толику электричества и ещё одно топливо.
Логично представить, что на борту автомобиля такая ячейка может быть дополнена водородным топливным элементом, вырабатывающим энергию для электродвигателей или зарядки обычных (опять же — литиевых) аккумуляторов.
Исследователи из ETRI добавляют, что литий можно извлекать их солевых растворов (морской воды) при помощи солнечного света (вернее, солнечных электростанций), превращая таким образом лёгкий металл в высокоплотный промежуточный энергоноситель для зарядки автомобилей будущего.
А поскольку в обычном топливном элементе «выхлопом» является вода, легко представить сочетание трёх систем, замыкающих весь цикл и по литию, и по воде. (Детали исследования раскрывают статья в журнале ChemSusChem и пресс-релиз ETRI.)
Для массового распространения таких устройств ещё нужно преодолеть ряд трудностей вроде повышения проводимости и прочности материала LISICON и накопления плохо растворимого LiOH во второй камере. Тем не менее идея заслуживает внимания как чистая и ёмкая альтернатива бензину на отдалённую перспективу.
«Литий, который уже широко используется в литиево-ионных батареях и будет применяться в литиево-воздушных элементах, вместе с литиево-водной/водородной/топливной системой могут привести человечество к новому экологичному обществу, базирующемуся на умных литиевых энергетических системах», — резюмирует Чжоу.
Кругом литий. А ведь на нём свет клином не сошёлся. Не менее экзотичной выглядит идея использовать как энергоноситель магний. Её продвигает канадская компания MagPower Systems.
Общий замысел похож: можно попробовать добывать магний из морской воды при помощи энергии солнечных лучей и использовать этот металл как расходуемый материал в электрохимических элементах, вырабатывающих «из магния» ток.
Разработанное MagPower устройство — воздушно-магниевый топливный элемент (Magnesium-Air Fuel Cell — MAFC) – во многом напоминает более известные воздушно-цинковые батареи, но в деталях отличий масса. Внутри ячейки электрод из магния (или его сплава) отдаёт электроны во внешнюю цепь, забирая из раствора анионы OH и превращаясь в Mg(OH)2.
Однако внутри такой установки одновременно идёт и реакция, которая для работы канадской батареи вредна: магний реагирует с водой, выделяя водород.
Если в системе Чжоу взаимодействие металла и H2O рассматривалось как главная цель, MagPower решила подавить синтез водорода, повышающий пожароопасность прибора и давление внутри него.
Для этого они придумали некий ингибитор, позволяющий свести синтез водорода к минимуму, а цепочку полезных реакций (дающих ток в нагрузку), напротив, подстегнуть.
Этот-то состав, добавляемый в электролит, по мнению компании, открывает дорогу эффективным и совершенно чистым топливным ячейкам, работающим на магниевых сменных стержнях. Технология в настоящее время находится на пути к коммерциализации.
По заверениям компании, MAFC обладают большим КПД, чем серийные водородные топливные элементы, при этом новая система дешевле, устройства содержат меньше деталей, магний (сплавы) несравненно проще хранить, MAFC меньше нагревается во время работы и так же спокойно переносит мороз в минус 20 градусов.
Все эти усилия ещё не скоро выльются в действительно массовый продукт, но можно констатировать, что в «эпоху после нефти» автомобили без компактных источников энергии не останутся. И кто знает, может, лет через десять Японский клуб электромобилей выведет на полигон новое поколение машинки Mira EV в надежде проехать на одной зарядке уже 10 тысяч километров.
