Правильная батарейка для самоката

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

Основной задачей проектанта при создании продукта является формирование его свойств и функций в определенных рамках. Таких ограничительных рамок всего три:

— надо, чтобы продукт соответствовал целям его создателя;

— не действовал непредсказуемо;

— и не наносил вреда человеку.

По сути, эти простые пожелания относятся к любому продукту, так как их одновременное выполнение неизбежно сделает его полезным, а технологию изготовления — рациональной, то есть безвредной и безопасной, как для современного, так и для будущих поколений потребителей.

Пока выполнить одновременно эти три условия у инженеров и технологов не получается, так как никто этому не учит. Поэтому, чтобы скрыть свое неумение, мы оцениваем любой продукт по технико-экономическим характеристикам (стоимость, мощность, долговечность, производительность и т. п.) и всегда скромно умалчиваем о его бесполезности, опасности или неуправляемости при эксплуатации.

«Внимание! Опасный участок дороги!»

Необязательность независимой оценки продукта по критериям «полезность» и «рациональность» приводит к возникновению неуправляемой ситуации с его качеством и порождает негативные последствия эксплуатации. Примеров этому масса. Вспомним знаменитые многотонные зерноуборочные комбайны, которые «утрамбовали» в прошлом веке поля так, что вода до сих пор с них стекает, а не впитывается в почву. Это и есть тот самый негатив для будущих поколений. Значит, проектировщик таких машин, выполняя задачу интенсификации процесса сбора урожая, не слушал ученых-почвоведов и не думал о последствиях эксплуатации техники. Он выполнил только одно требование из трех обязательных.

Есть и другие примеры проектирования продукта, в которых цель достигается за счет будущего ущерба. Известно, что на отдельных участках автомобильных дорог через год после ввода их в эксплуатацию появляются знаки типа «Опасный участок дороги». Это означает, что в этом месте произошло как минимум три аварии. Ответственность за ущерб при этом возлагается на водителя, но не на проектировщика, который либо не достроил ограждения, либо не предусмотрел переходы для диких животных или не рассчитал безопасный уклон дороги.

Еще один неуправляемый процесс, который генерирует негативные последствия, формируется сегодня «знаменитыми» самокатами. Думаю, все согласятся с тем, что это не доделанный и не додуманный кем-то продукт, над совершенствованием управляемости которого сегодня думают все, кроме его создателя, имени которого, кстати, никто не знает.

Очевидно, что достижение целей за счет непредсказуемости поведения создаваемого продукта в ходе его эксплуатации противоречит разуму и этике проектирования. Вместе с тем именно такой проектный подход мы и наблюдаем сегодня в области литий-ионных аккумуляторных батарей. Об этом чуть подробнее.

Очевидно, что стоимость, безопасность и производительность такой батареи может обеспечить только совершенная технология ее производства и методика тщательного тестирования. Так как машин и оборудования для этого у нас никто не производит, то и собственной технологии производства электродов, сепараторов, электролитов, токоприемников и связующих веществ у инженеров тоже нет. А это означает, что о безопасности литиевых батарей для самокатов говорить рано.

Оказывается, что уровень опасности литий-ионных батарей у нас вообще никем не проверяется, а только фиксируется в статьях и отчетах. Причем общей причиной их возгорания всегда называют не ошибки в технологии изготовления, не наличие скрытого источника опасности в самой батарее, а пресловутый «человеческий фактор». Это удобная тактика поведения поставщиков товара для снятия с себя ответственности и экономии на послепродажном обслуживании.

Пока же, вместо того чтобы разрабатывать представительные методики оценки опасности продукта, наши инженеры при создании литиевых сборок для самокатов обосновывают их безопасное поведение простой ссылкой на правила Международной электротехнической комиссии. Но это же некорректно, так как все стандарты этой комиссии касаются обращения с европейским энергоресурсом и не могут в принципе учесть весь спектр и динамику изменения природно-климатических условий в пространстве России.

Есть ли альтернатива литию?

Учитывая, что создание единой методики оценки безопасной работы аккумуляторов при различных сценарных вариантах их эксплуатации не представляется возможным, целесообразно учиться проектировать так, чтобы в их структуре вообще не было источников опасности независимо от того, где и как они используются — в условиях мегаполиса, города, деревни, моря, внутри производственной зоны или в глубине подземного пространства.

Это очень трудная задача, и, чтобы ее решить, требуются специалисты для моделирования, расчета и проектирования источников питания в интересах конкретных задач потребителей. Где-то необходима огромная батарея с неограниченным сроком постоянной эксплуатации, а где-то источник на пять минут работы в течение года или десятка лет. Таких специалистов у нас нет. Гораздо проще проектировать продукты и технологии под копирку или проводить бесполезные исследования для постепенных улучшений чужих стареющих конструкций, чем разрабатывать собственные новаторские решения, которыми гордились бы наши будущие поколения.

Есть небольшая надежда на новое проектное технологическое сообщество «Металион», которое формируется на основе кадрового потенциала Физтеха и нацелено на создание собственных технологических решений на основе глубоких знаний и использования возможностей всех университетских и научных школ страны.

Главное в такой творческой проектной работе не зацикливаться на литиевых элементах. Есть же множество альтернативных вариантов.

Даже поиск новых смесей электролитов с использованием алгоритма «искусственного интеллекта» показал, что из всего многомиллионного их множества критериям стоимости, доступности и энергетической плотности отвечает не только литий, но и натрий, а также еще порядка двадцати новых функциональных материалов.

Сегодня без применения лития уже создано огромное количество инновационных разновидностей структур аккумуляторных ячеек, анодных и катодных материалов. Есть даже батареи на основе алюминия и тонких слоев графена. Огромная перспектива и у дешевых катодов на основе органических молекул, у твердо-оксидных элементов и даже у биологических источников энергии. Да и с точки зрения эмоционального восприятия более безопасным кажется техническое решение ученых о применении полимерных гелей для проточных аккумуляторов, которые к тому же еще и дешевле и долговечнее литиевых ячеек. Все это разнообразие открывает путь к созданию универсальных аккумуляторных систем с возможными преимуществами по стоимости, надежности, безопасности и энергетическим характеристикам.

Поэтому какой-то нелогичной получается концентрация усилий инвесторов только на литиевых системах. Если мы не являемся разработчиками литий-ионных аккумуляторов, не добываем свой литий и не умеем его использовать повторно после утилизации купленных батарей, то непонятно, зачем мы изначально ставим себя в сырьевую зависимость от других, не понимая к тому же сложность и динамику спекулятивного рынка «батарейных металлов» в мире.

Никто не мешает нам сосредоточиться в своих исследованиях еще и на натриевых электролитах. Получается доступно, дешево и рационально. Тем более что в России металлический натрий начинают производить в Саратове в промышленных масштабах.

Инвесторы и геологи прогнозируют, что при сохранении темпа производства электрических и гибридных транспортных средств с использованием технологии литиевых батарей известные в настоящее время запасы лития в 12 странах будут исчерпаны всего за несколько лет. И может получиться так, что, когда мы начнем осваивать рудное месторождение лития в Мурманской области для производства литий-ионных элементов, во всем мире «литиевый» вариант уже устареет и мы опять будем догонять лидеров науки и технологий.

Но лозунг «догоним и перегоним» сегодня не работает. Вместо того чтобы играть в устаревшие «догонялки» и глупые рейтинговые оценки по критерию «у кого больше всех», надо возрождать взаимодействие знающих и опытных ученых с умными и высокоинтеллектуальными инвесторами, способными идти не за кем-то «след в след» по протоптанной дороге, а своими еще неизведанными тропами.

Только в этом случае проектируемый продукт становится функционально полезным, а его поведение — предсказуемым и безвредным. Будем стараться, и рано или поздно у нас получится.

Уважаемые читатели, если вы работаете над технологиями инновационных аккумуляторов и хотите о них рассказать экспертному сообществу, напишите нам, мы с удовольствием подготовим статьи на эту актуальную тему.

Редакция журнала «Стимул»

Для писем: 119234, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 77, комн. 101.

Для сообщений: editor@stimul.online