2019-12-03T20:22:56+03:00

Планета на батарейках: что будет делать человечество, когда израсходует весь литий

Пока Нобелевский комитет награждает создателей литий-ионных аккумуляторов, ученые думают над альтернативными возможностями хранения электрической энергии
Виктор ЛЬВОВ
Поделиться:
Комментарии: comments1
Изменить размер текста:

Химики из МГУ синтезировали новый материал, который в сто раз дешевле лития и при этом имеет очень похожие свойства. Что это значит для многомиллиардной индустрии по производству аккумуляторов? Сможет ли натрий-ванадиевый пирофосфат (так называется соединение) заменить литий? Если коротко: да, сможет. Но не везде.

Беспроводная свобода

Батареи сегодня есть во всех электронных устройствах: часах, смартфонах, ноутбуках и планшетах, детских игрушках и электрокарах. Илон Маск уже строит аккумуляторные станции, которые питают целые районы Австралии и экономят при этом десятки миллионов долларов. Нобелевскую премию по химии в 2019 году вручили создателям литий-ионных аккумуляторов Джону Гуденафу, Стэнли Уиттингему и Акире Есино. Лучше позже, чем никогда, - ведь первые такие батареи японская Sony начала массово использовать в своих устройствах еще в начале 1990-х. Аккумуляторы сделали человечество более свободным (как минимум от проводов) - многие из нас теперь не привязаны к розеткам и офисам. Но у этой технологической революции, как это часто бывает, есть и обратная сторона. Чтобы произвести и зарядить аккумулятор, нужно потратить огромное количество энергии. То есть оставить серьезный углеродный след. Но разве не с этим борются сторонники зеленой энергетики?

При чем здесь детский труд

Чтобы сделать современный литий-ионный аккумулятор, нужны углерод, алюминий, медь, титан (используется в некоторых электрокарах и электробусах), иногда никель и марганец, литий и кобальт. Последних двух не так уж много на планете. Проблема в том, что разведанные запасы лития и кобальта на планете не очень-то велики. Лития - 40 млн тонн, кобальта еще меньше - 7,1 млн тонн. Причем половина запасов кобальта находится в Конго (Африка). Местные жители, в том числе дети, добывают его в кустарно выкопанных шахтах - зачастую без средств защиты, обычными кирками, как сто лет назад. Кобальтовая пыль приводит к заболеваниям сердца и легких. Литий добывают более цивилизованным способом. Интересно, что практически все производство (в том числе в Конго) контролируется китайскими компаниями. Литий и кобальт в последние годы подорожали кратно. Россия тоже производит эти металлы, но ее доля в мировой добыче невелика - в районе 4 - 8%.

Куда применять российскую разработку

Натрий-ионные аккумуляторы уступают литий-ионным по многим показателям, в первую очередь по энергоемкости. Разработка Олега Дрожжина и ведомой им группы химиков МГУ позволяет использовать карбонат натрия, который в сто раз дешевле лития. При этом энергоемкость аккумулятора получается всего на 20% ниже, чем литий-ионного. Это отставание можно компенсировать увеличением размера батареи. Для смартфонов и других носимых устройств это критично. Но в электрокарах - как легковых, так и грузовых - такие аккумуляторы вполне можно использовать. Еще одна область применения - большие стационарные хранилища электроэнергии. С развитием зеленой электроэнергетики такие «батарейки» становятся все более востребованными. Емкости для аккумулирования требуются и в ядерной энергетике.

Нужно признать, что в портативных аккумуляторах едва ли получится заменить литий чем-то еще - по крайней мере, пока ученым не удалось найти материал хотя бы с аналогичными характеристиками. По сути, во всех существующих разработках для носимой электроники используется литий, во многих - кобальт. А вот с большими аккумуляторами все не так безнадежно. Разработка ученых из МГУ - яркое тому подтверждение.

детали

Как устроен аккумулятор

Если максимально просто, то современный литий-ионный аккумулятор устроен так. В нем есть анод и катод, которые разделены сепаратором с пористым электролитом (материалом, который проводит ток). Через сепаратор могут перемещаться положительно заряженные частицы лития (ионы). Когда мы заряжаем батарею, ионы стремятся к аноду. Когда мы отключаем зарядку, начинается обратный процесс - ионы возвращаются к катоду. Возникает электрический ток, который и питает наши устройства. Принцип натрий-ионного аккумулятора такой же, но вместо лития используется натрий, точнее, его соединения.

О чем молчит Илон Маск: при производстве Tesla Model S выделяется 12,2 килограмма углекислого газа.

О чем молчит Илон Маск: при производстве Tesla Model S выделяется 12,2 килограмма углекислого газа.

кстати

Электрокары - это точно экологично?

Если к зеленой энергетике - ветряным и гидроэлектростанциям, солнечным батареям - вопросов у экологов не возникает, то с электрокарами и носимыми устройствами не все так просто.

Китайские фабрики день и ночь штампуют смартфоны и другие портативные девайсы с литий-ионными аккумуляторами. Например, в прошлом году их произвели полтора миллиарда. Есть еще сотни миллионов пауэрбанков, планшетов и ноутбуков. При этом электроэнергия в Китае производится по старинке - сжиганием нефти, газа и угля.

Рынок электромобилей тоже интенсивно растет. Сейчас таких машин чуть более 5,5 млн по всему миру. К 2040 году ожидается уже до 400 млн. Производство батарей - очень энергоемкий процесс, который оставляет заметный углеродный след. При производстве электрокара Tesla Model S, к примеру, выделяется 12,2 килограмма углекислого газа. А при производстве обычного бензинового седана - около 8 килограммов. Выходит, электрокары не такие уж экологичные? Не совсем так. Все зависит от того, где именно они эксплуатируются. В Китае, где электричество производят с чудовищным углеродным следом, - вряд ли. В Норвегии, где остались только гидроэлектростанции, - совсем другое дело! Увы, в России электричество пока производится преимущественно сжиганием углеводородов. На втором месте по объемам производства - атомные станции. На третьем - ГЭС.

На сегодняшний день, судя по выкладкам экономистов и инженеров, с точки зрения экологичности самый выгодный транспорт - гибридный, который использует и двигатель внутреннего сгорания, и электроэнергию.

Есть и еще один побочный эффект - аккумуляторы выходят из строя и их нужно как-то утилизировать. Этот процесс тоже оставляет углеводородный след. Более того, полностью извлекать литий из отслуживших свое батарей экономически невыгодно. Поэтому в предприятия по глубокой переработке вкладываются лишь единицы производителей электрокаров (например, немецкий Volkswagen).

Отслужившие свое батареи для носимой электроники зачастую оказываются на свалках. Хотя это потенциально опасные отходы, которые отравляют почву и воду.

Читайте далее.

Понравился материал?

Подпишитесь на еженедельную рассылку, чтобы не пропустить интересные материалы:

 
Читайте также