Казахстанские учёные изобрели высокомощные микроаккумуляторы и тестируют их на наушниках

Это высокомощные литий-серные аккумуляторы, которые более безопасные и энергоёмкие, чем коммерциализированные сегодня аналоги. Всего несколько групп учёных в мире работают сейчас над созданием таких микробатарей, и наши научные деятели в этом вопросе не отстают. Корреспондент BaigeNews.kz побеседовал с Алией Мукановой – ведущим научным сотрудникам National Laboratory Astana (Назарбаев университет), ассоциированным профессором, которая непосредственно занимается этим проектом.

Алия, расскажите, для каких целей можно будет использовать разработанные вами литий-серные микроаккумуляторы?

- У них широкий спектр применения. Это, например, разные медицинские устройства, которые внедряются в организм человека. Допустим, инъекционный порт для введения инсулина, кардиостимуляторы, нейростимуляторы, слуховые аппараты. Также микроаккумуляторы используются в микроэлектронике. И сейчас уже распространяются на носимые устройства – это те же портативные наушники, часы, трекеры, так называемая "умная" одежда.

Микроаккумуляторы бывают маломощные и высокомощные. Для носимой электроники необходимы высокомощные аккумуляторы. Для маленьких устройств (микроэлектроника, датчики, чипы и т.п.) – маломощных достаточно. Сейчас мы работаем в обоих направлениях: разрабатываем и маломощные и высокомощные микроаккумуляторы.

Для маломощных применений больше важна стабильность подачи энергии, чем её величина. Для этого мы работаем над надёжными полностью твёрдотельными литий-ионными микроаккумуляторами. В них нет никакой жидкости, поэтому они более безопасные и стабильные.

Для высокомощных применений мы используем литий-серную технологию. Наши разработки – это первые шаги в мире по миниатюризации литий-серных аккумуляторов до микроразмеров. Литий-серные аккумуляторы отличаются тем, что у них очень высокая ёмкость. И мы пытаемся сделать различные формы микроаккумуляторов, которые могут быть использованы для гибких носимых устройств: это часы, наушники, смарт-одежда.

Какие микроаккумуляторы сейчас используются в малой электронике и медицине?

- Микроаккумуляторы в медицинских аппаратах зачастую не основываются на литий-ионной технологии, чаще это ядерные батарейки, в которых присутствует радиоактивный элемент, не способный выдавать большие заряды. А в микроэлектронике уже начали использоваться литий-ионные микробатареи, но в них очень низкая мощность и ёмкость. Поэтому учёные работают над улучшением того, что есть сейчас – пытаются внедрить в новые усовершенствованные материалы - высоковольтные катоды для улучшения мощности, механически стабильные аноды, твёрдые электролиты с высокой ионной проводимостью. Также работают над внутренним дизайном, например, созданием трёхмерных структур, а также оптимальным расположением слоев и улучшением упаковки микроаккумулятора.

В чём новаторство и важность ваших исследований? Какие основные преимущества литий-серной технологии вы можете назвать?

Как я уже говорила, мы работаем над маломощными и высокомощными микроаккумуляторами. В маломощных у нас новшество в том, что у них более повышенная ёмкость внутри. То есть при небольшом размере они абсолютно безопасны, но могут в себя помещать больше энергии за счёт применения более высокоёмких материалов в плане электрохимии.

Что касается высокомощных литий-серных микроаккумуляторов, в принципе, есть только несколько работ в мире по тонкопленочным серным катодам. Новизна в самом адаптировании литий-серной технологии в микроаккумуляторы. Литий-серных микроаккумуляторов ещё нет.

Обычные литий-серные аккумуляторы начали потихоньку коммерциализировать в Китае. Но они используются как одноразовые батарейки. У них есть проблема с циклированием, они постепенно теряют свой заряд. Для наших литий-серных микроаккумуляторов мы придумали специальную барьерную защитную плёнку на катоде, которая предотвращает эти проблемы, поэтому у нас циклирование достаточно стабильное. Сейчас мы дошли до 150 циклов с сохранением ёмкости порядка 80 – что очень неплохо.

На какой стадии находятся сейчас ваши изобретения? Пробовали ли вы уже использовать свои батареи в устройствах?

- Мы работаем над тем, чтобы интегрировать высокомощные литий-серные микроаккумуляторы в беспородные наушники. Мы разобрали обычные наушники, подсоединили туда наши батареи и смотрим, как они работают. То есть сейчас мы приблизились к тому, что уже полностью можем получить микроаккумулятор и находимся на стадии его тестирования в реальных устройствах, проверяя продолжительность жизни аккумулятора в них, качество работы устройства. Работаем над дизайном корпуса, технологией сборки.

Вообще перед любой коммерциализацией, прототип аккумулятора проверяют достаточно длительные время, в течение нескольких месяцев или даже лет. Например, как он ведёт себя, если его быстро/медленно зарядить и медленно/быстро разрядить. Как влияет высокая/низкая температура, давление на характеристики. И даже – что произойдёт, если аккумулятор механически повредится. Бывают тесты аккумуляторов под радиоактивным или космическим излечениями. Всё может повлиять на работу аккумулятора, на её продолжительность. Происходит внутренняя деградация материалов. Если что-то идёт не так, мы должны это исправить: где-то оптимизировать сам материал, где-то наладить технические моменты при сборке аккумуляторных ячеек.

Многие основные вопросы мы уже решили и сейчас работаем над тем, чтобы наш аккумулятор работал стабильно много циклов. Продукт практически готов.

Какие у вас планы по коммерциализации проекта?

- Насчёт будущей коммерциализации – это сложный вопрос. Зависит от многих факторов. У нас все разработки производятся в лабораторных условиях. Это малое количество. Чтобы это пустить на массовое производство, нужно другое дорогостоящее оборудование. Это возможно, но прогнозы я не могу дать.

Вы сказали, что только несколько групп учёных в мире проводят аналогичные исследования по литий-серным микробатареям. Есть ли у вас цель первыми дать миру этот проект? Как вы видите будущее ваших разработок?

- Да, конечно. Нам, как учёным, всегда хочется видеть применение наших трудов, результатов наших исследований в жизни. Если у нас будет возможность коммерциализировать свой проект и производить его в Казахстане, это будет здорово. Потому что у нас в стране для этого есть все необходимые ресурсы: много серы как побочного продукта при добыче нефти, месторождения лития, а также меди и алюминия, которые также есть в составе аккумуляторов в качестве токоприемников. Если же будут сложности в Казахстане, то у нас есть коллабораторы в Китае, мы будем с ними сотрудничать и стараться выводить наши разработки на новый уровень, потому что они действительно очень перспективные, и, думаю, что могут заинтересовать зарубежных инвесторов.

Надо понимать, что сейчас в Казахстане пока что происходит становление всего. Мы бывает сами каких-то моментов не знаем, когда работаем над чем-то новым. Для этого командируемся в лаборатории колабораторов на стажировки, учимся у других. Даже если мы начнём продвигать свой проект за рубежом – это не значит, что мы делаем плохо для Казахстана. Это значит, что мы можем потом перенять их опыт и в последующем делать это уже в Казахстане более легко и быстро.

Как развивается наука в Казахстане? Достаточно ли поддержки получают учёные? Какие существуют проблемы сегодня в вашей сфере?

- За последние несколько лет заметно улучшение отношения к учёным, повысилось финансирование научных проектов, поощрения учёных, мотивация молодых учёных.

Хотелось бы, чтобы также обратили внимание на промышленность. Казахстан много чего добывает, но не очищает до конечного продукта. Нам не хватает подмоги со стороны промышленности, есть нехватка чистых продуктов. Нам нужны для наших исследований, например, чистый алюминий, чистая медь и так далее. И мы вынуждены это очищенное сырье покупать за рубежом. И, как следствие, наши разработки становятся дорогими, что, естественно, повлияет на спрос.