Вечный «электрохромный» аккумулятор (платформа для дискуссии)

Слово аккумулятор становится брендовым. Если ранее оно было притчей во языцех, преимущественно у автолюбителей, то сейчас оно проникает во все поры нашей жизни – это и вся мобильная техника – телефоны, планшеты, ноут-буки, бытовая – лампы, бритвы, зубные щетки…. И сколько бы не перечислять все равно это много не значит перед грядущим грандиозным переворотом в энергетике — у всех уже на слуху – чистая, зеленая, которая, однако, невозможна без посредничества промежуточных накопителей – аккумуляторов. Грандиозная, потому что это электромобили, домашние генерирующие электроподстанции… и даже самолеты.

    Но на сегодняшний день мы имеем дело с крайне несовершенным, капризным  продуктом. Современные аккумуляторы имеют малый срок службы – от 400 циклов полной зарядки- разрядки у свинцовых до полутора тысяч у литий-ионных, медленная зарядка – электромобиль до 10 часов, планшет до 5, нельзя доводить до полной разрядки под угрозой потери емкости и др. менее значимые недостатки.

    Каким видится пусть и не идеальный, но приближающий к уровню совершенства современной техники аккумулятор. Он должен выдерживать ну хотя бы 100 000 циклов, а лучше миллион, т.е. чтобы вам хватило его на всю жизнь, и даже завещать потомкам, как фамильное серебро, должен допускать полную зарядку-разрядку без потери паспортных характеристик, соответственно хранение в любом виде и условиях. Должен заряжаться за минуты, в крайнем случае, не более часа. Держать напряжение по мере разряда.

    Как не странно этим условиям, кроме одного (о нём ниже) отвечает электрохромная электродная система, описанная на этом сайте, которую автор этого дискуссионного предложения запатентовал на месяц раньше «отца электрохромизма» Дэба ( пат. США №3500392 Малюк Ю.И. и др..)

    Итак, из чего она состоит и как автор пришел к ней. Представьте простой эксперимент – на дне плоской кюветы под слоем электролита (серная кислота) находится спеченная таблетка из спресованного порошка пятиокиси ниобия ( белая, абсолютно неэлектропроводная), к поверхности ее прикасается  угольный электрод ( от батарейки ) и на него относительно такого же электрода в кювете под слоем электролита подается отрицательный  потенциал, достаточный для выделения водорода. В точке прикосновения  появляется чёрное пятно, увеличивающееся в диаметре по мере поляризации. Спустя время вся таблетка становится черной, электропроводящей и ЭДС такой электродной системы ( таблетка — угольный электрод, относительно которого проводилась поляризация) достигает 1,8 вольта.

     Дальнейшие исследования этого феномена ( Малюк Ю.И. и др. Доклады Академии наук СССР, 215, №5, 1182, 1974 )   показали, что изменение электрофизических свойств таблетки происходит оттого, что атомы водорода выделяющиеся на поверхности угольного электрода при поляризации десорбировались с него и  инжектировались в твердую фазу окисла по механизму хемосорбции. Как показал прецизионный рентгендифрактометрический анализ, ионы водорода увеличивают в кристаллической решетке окисла только ее период ( как бы распирая её ) не вызывая при этом фазовых переходов с изменением симметрии, т.е. система полностью обратима и нет энтропийного фактора деградации. Т.е., с точки зрения аккумуляторной идеи электродная система как бы «вечная», но мысль автора направилась не в эту сторону, а на создание электрохромного дисплея, для чего тонкая пленка пятиокиси ниобия наносилась  на проводящую подложку и при подаче на нее импульса тока величиной ~10 милликулон на см. квадратный под слоем электролита при напряжении 5 вольт зачернялась за 1 сек. Отсюда можно экстраполировать к скорости зарядки такой электродной системы, как аккумуляторной. После почернения электрохромного электрода в паре с угольными электродами ( см. первый видеоролик на этом сайте ) на зажимах ячейки ЭДС равна 1,8 вольта и при замыкании накоротко или на нагрузку  электрохромный электрод обесцвечивается, т.е. разряжается как аккумуляторный.

    Пятиокись ниобия чрезвычайно стойкий химический материал, растворяется только во фтористоводородной кислоте, отсюда нет сомнения, что ее свойства не будут ухудшать никакие манипуляции, связанные то ли с эксплуатацией, как электродного материала, то ли с хранением, что доказали нам испытания электрохромных дисплеев – они выдерживали миллион циклов  зарядов ( почернения ) и разрядов ( обесцвечивания ).

    Казалось бы с точки зрения аккумуляторного применения этой электродной системы все замечательно, почти идеально – в системе нет деградации, она как бы «вечная», скорость зарядки не превысит минут, например, в пленочном исполнении, уровень заряда-разряда никак не повлияет на  эксплуатационные характеристики, но есть одно НО. В известных аккумуляторных системах напряжение на зажимах изменяется в небольших пределах, т.к. почти не изменяется свободная энергия, энтальпия образования веществ электродов. Здесь же возникает новое вещество – гидрооксид ниобия и потенциал его будет зависеть от степени гидрогенизации окисла, другими словами – напряжение на батарее будет зависеть функционально от степени ее заряда. Кроме того окисел обладает полупроводниковыми свойствами и электропроводность его зависит от степени легировния донорной примесью –  в данном случае атомами водорода.

   Что тут делать? Конечно нужны серьезные научные и технологические исследования и разработки отимальных вариантов преодоления недостатков и использования таких электродных систем. Здесь могут быть и пленочные технологии и  нанотехнологии приготовления композитных высокопористых электродов из смесей диспергированных графитов, а лучше графенов с пентоксидом ниобия и модификация полупроводниковых свойств предварительным легированием оксида и использования возможностей электроники, в которой уже научились делать стабилизаторы напряжения, не зависящие от напряжения на входе. Могут возникнуть сомнения в рентабельности такого продукта, это конечно дороже ( 50-70 $ за кг.), чем литий или окись свинца, но за время эксплуатации его вы можете сменить десятки ныне существующих по причине малого ресурса.

    Конечно все изложенное здесь не есть сиюминутное решение проблемы аккумуляторов, но могло бы стать при более углубленном анализе основой направления мысли в научных поисках  сбережения энергии.

       Dr. Малюк.