Научным коллективом лаборатории «Накопители электрической энергии» НИТУ «МИСиС» разработаны материалы для электродов суперконденсаторов – устройств для преобразования энергии торможения гибридных автомобилей, позволяющее улучшить их экологические параметры и сократить потребление топлива на 30%. Возглавляют исследования руководитель лаборатории Владимир Туманов и профессор Михаил Астахов, заведующий кафедрой физической химии университета.
Основным элементом суперконденсатора, накопителя электроэнергии, стал полученный научным коллективом наноуглеродный материал с уникальной развитой структурой поверхности, обладающей максимальной площадью на единицу объема. На научном сленге такая структура называется «вискерсы» или «бакенбарды».
Этот углеродный материал из органического волокна имеет уникальные свойства – высокую проводимость тока, повышенную удельную энергоемкость – до 8 Фарад/кв. см – и низкую себестоимость производства, что весьма важно в промышленных инновациях. По совокупным качествам новый материал успешно конкурирует с графеном и нанотрубками, и в разы превосходит их по дешевизне: грамм графена стоит около 1000$, килограмм углеродных «вискерсов» – 20$. В отличие от двухмерного графена, «бакенбарды» являются трехмерными наноструктурами с заданным распределением пор (3D), что обеспечивает уникальную «ёмкость» и «компактность» материала.
Новый материал обеспечивает более эффективное хранение и накопление электроэнергии торможения в электрических или гибридных автомобилей с последующим её использованием при разгоне. Этот материал может использоваться в стационарной энергетике, импульсной технике, и даже в медицине – для электрокардиостимуляторов, томографов и рентгеновских аппаратов.
Подобный материал, но с существенно более низкими характеристиками по удельной ёмкости был испытан на нескольких вариантах Ё-мобиля, а в августе 2015 г в накопителях энергии для городских гибридных автобусов общим напряжением около 900 В. Эффективность работы рекуператоров подтверждены реальными ходовыми испытаниями. При использовании нового материала габариты и стоимость рекуператоров снизятся на 30%.
В 2017 году сотрудники кафедры планируют перейти к экспериментальному производству разработанных материалов для их проверки в накопителях электрической энергии уже промышленного производства.
«В настоящее время развитие альтернативной энергетики в России приобретает большое значение, поэтому созданная учеными НИТУ «МИСиС» новая технология имеет высокие перспективы. Она позволяет производить дешевый материал для суперконденсатора из отечественного углеродного сырья, создавать узлы двигателя, существенно оптимизирующие его экономичность, а также решает проблему снижения вредных выбросов в атмосферу», – отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
Исследования материалов для химических источников тока начались на кафедре физической химии НИТУ «МИСиС» еще в 2011 году, когда разработчики Ё-мобиля обратились к ученым с предложением по разработке суперконденсаторов для системы рекуперации энергии гибридных автомобилей. Одной из проблем, с которой столкнулись при разработке отечественного гибридного автомобиля, оказалась высокая стоимость суперконденсаторов зарубежного производства, а также сложность и высокая трудоёмкость сборки узлов.
По словам руководителя проекта Владимира Туманова, «нашей командой была предложена принципиально новая идеология конструкции и технология сборки модулей суперконденсаторов, благодаря которым трудоёмкость изготовления накопителей была снижена почти на порядок. На кафедре физической химии НИТУ «МИСиС», под руководством Михаила Астахова одновременно была предложена не менее оригинальная технология получения электродных материалов из органических волокон. В совокупности эти две идеи позволяют в перспективе снизить себестоимость изготовления накопителя энергии для автомобиля почти в 3 раза».
Предлагаемые накопители будут успешно применяться в различных отраслях техники: экологически чистом личном и городском транспорте, метро, грузоподъёмной строительной технике, лифтах, системах бесперебойного питания и регулирования качества энергии, а также в импульсной и медицинской технике. Новые суперконденсаторы способны работать в условиях критически низких температур и повышенной влажности – за Полярным кругом, в высокогорных районах и тропических широтах, а также в космосе.
