07.05.2022

В Уфе разрабатывают уникальные аккумуляторы для электромобилей

Рассказываем про команду молодых ученых и ее исследования.

В 2021 году в Уфе было создано шесть молодежных лабораторий в организациях-участниках Евразийского научно-образовательного центра. Согласно требованиям, возраст руководителей должен быть не более 39 лет, они должны иметь опыт работы за границей и публикации в высокорейтинговых журналах мирового уровня, быть участниками лидирующих международных конференций, знать иностранный язык.

Лаборатория новых материалов для электрохимической энергетики создана на базе ФГБНУ Уфимский федеральный исследовательский центр РАН и вошла в отдел Электрохимической энергетики. Руководит ею кандидат химических наук Елена Кузьмина, работавшая приглашенным исследователем в University of Cambridge и компании Oxis Energy Ltd (Англия). В лаборатории трудятся 18 человек, из них более 70% сотрудников моложе 39 лет и студенты последних курсов специалитета и магистратуры БашГУ и УГНТУ.

— Когда мы создавали молодежную лабораторию, мы решили, что ее направлением станет разработка материалов для электрохимических источников накопления и хранения энергии. Принцип нашей работы заключается в том, что научные результаты должны иметь перспективу внедрения в производство. То есть полученные знания могут и должны быть использованы на практике. На первых этапах работы нашей лаборатории основным объектом исследований мы выбрали нефтяной кокс, — рассказала Елена Кузьмина.

— Электрохимия — большая наука, и один из ее разделов называется «Электрохимическая энергетика». Основная задача — разработка новых методов преобразования химической энергии в электрическую и наоборот. Отдел электрохимической энергетики занимается созданием аккумуляторов для электромобилей, — отметил заведующий отделом Владимир Колосницын.

Нефтяной кокс — легкодоступный продукт, он производится в том числе на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе.

— Он может использоваться в качестве материала для производства отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. К сожалению, современные литий-ионные аккумуляторы не лишены недостатков, при нарушении условий хранения и эксплуатации они могут самопроизвольно возгореться и даже взорваться. Если же это произойдет с аккумулятором электротранспорта, последствия могут быть очень печальными. Мы выбрали нефтяной кокс, поскольку на его основе возможно создать аккумуляторы с повышенной безопасностью, — продолжила Елена Кузьмина.

Нефтяной кокс — это неупорядоченный углерод, благодаря своей структуре он может работать при повышенных токовых нагрузках, чего не может графит, используемый в современных коммерческих литий-ионных аккумуляторах. Сейчас исследователи разрабатывают способы модификации нефтяного кокса и изучают его свойства, чтобы создать прототипы литий-ионных аккумуляторов с повышенной безопасностью. Они работают над модификацией кокса, чтобы решить ряд проблем и сделать его конкурентоспособным материалом. В настоящее время в России никто этим не занимается, нефтяной кокс незаслуженно забыт.

— Основное применение кокса — производство алюминия, его используют для электродов. Мы же разрабатываем новое применение. Сначала изучим его поведение при температурной обработке в разных атмосферах: воздуха, инертных газов, в окислительной и восстановительной атмосфере. Затем мы планируем цикл работ по модификации поверхности кокса, чтобы повысить его способность к работе с повышенными токовыми нагрузками, — отметила заведующая лабораторией.

Чтобы проводить квалифицированные исследования, необходимо дорогое оборудование. Так, для лаборатории был приобретен перчаточный бокс за 4,2 млн рублей, ведутся работы по закупке других дорогостоящих и крайне необходимых приборов. В отделе электрохимической энергетики работают на современном оборудовании производства всемирно признанных компаний: батарейном тестере, дифференциально-сканирующем калориметре, приборе синхронного термического анализа.

Эксперименты проводятся в специально разработанных корпусах для изготовления и тестирования лабораторных прототипов аккумуляторов. Емкость лабораторных прототипов составляет 10-20 мА*ч. Работы по сборке таких ячеек можно выполнять только в перчаточных боксах с осушенным воздухом.

Электроды для своих исследований специалисты делают на намазной машине собственной разработки и изготовления.

— Электроды мы изготавливаем преимущественно по технологии отливки суспензии на медную или алюминиевую фольгу — в зависимости от того, нужен положительный электрод или отрицательный. На вакуумный столик помещается фольга, фиксируется. Мы устанавливаем ракельные ножи, выстраиваем нужную высоту, заливаем суспензию в ракельный нож, каретка с ножом двигается, и через щель отливается слой суспензии заданной высоты. Затем заготовку сушим для удаления растворителя, — рассказала Елена.

Также исследователи используют приборы, которые измеряют электропроводность электролитных систем в условиях низких температур — примерно до –70 °С. Это позволит создавать аккумуляторы, которые можно будет использовать в Арктике или даже в космосе.

Для изготовления аккумуляторных ячеек емкостью 10-20 А*ч в отделе электрохимической энергетики была создана специальная сухая комната, где содержание воды составляет не более 100 ppm, а температура поддерживается на уровне +21 °С. В этой сухой комнате будут проводиться сборка сухого электродного модуля, пропитка его электролитами и заварка в корпус. Работать в условиях сухой комнаты не очень комфортно, нужны специальная защитная одежда и очки. Особенно страдают глаза и слизистые оболочки, так как они могут пересушиться. В сухой комнате можно работать без перерыва не более часа, затем нужно выйти, выпить воды, отдохнуть, и лишь после этого продолжать работу.

На создание каждой молодежной лаборатории НОЦ из федерального бюджета было направлено по 15 млн рублей, причем эти деньги предусмотрены на выплату зарплаты сотрудникам. Учитывая, что рассчитан на 3 года, на развитие науки в Башкирии по этому направлению выделят 270 млн рублей. Если по истечении срока результаты работы будут хорошими, то проект продлят. Так что работа в молодежной лаборатории — это отличная возможность для начинающих ученых заниматься наукой и строить карьеру в этой сфере.
Теги: молодежная лаборатория Башкирия электрохимия энергетика аккумуляторы