При поддержке
Как российские химики создают идеальный аккумулятор?
Рассказывает Софья Морозова
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник – заведующий лабораторией, заведующий кафедрой Института электродвижения Московского физико-технического института
Пятый элемент науки
У нас как в игре — если не играете, то сленг непонятен
В современном мире быть учёным — это как участвовать в многопользовательской онлайн-игре: ты выбираешь расу, но вместо эльфов, гномов и варваров — типы наук: химия, физика, биология.
Всем привет! Я химик-полимерщик! Звучит как гуматор-могильщик, название жука, похоже? Я расскажу вам, как в МФТИ мы с коллегами изобретаем батарейки будущего для электротранспорта. Представьте: город наполняют скоростные, бесшумные водородные автомобили и поезда, сверхмощные дроны — доставщики товаров и воздушное электротакси, как в «Пятом элементе».
Только у нас пятый элемент не любовь, а
Как в любой игре, у нас есть и ачивки, только вместо медали «мясник из Блавикена» или «мастер гвинта» это «лауреат премии Правительства Москвы» или «премии для женщин в науке Колба»
электрохимия!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
2025
2005
Нууу, не знаааааю
Зарабатываешь уровни — у всех ученых с научными публикациями есть международный показатель, у нас его называют индекс Хирша. И решаешь квесты, но не от короля или демона, а от Минобрнауки и РНФ.
Я химик 16-го уровня, выполняющий квесты на создание полимерных мембран для химических источников тока нового поколения.
Я химик 16-го уровня, выполняющий квесты на создание полимерных мембран для химических источников тока нового поколения.
Или как в «Игре престолов»
Но пока еще не мать драконов – хотя и вопрос, кого именно считать драконами: открытия? статьи? аспирантов? Потом разберемся.
Вместо артефактов типа ведьмачьего меча или ускоряющего седла на Плотву у нас есть высокотехнологичное оборудование — осцилляционный реометр, многочастотный импедансметр.
а сейчас можно переписываться в чатах и больше 10 часов. Все это связано с развитием химических источников тока, или, по‑другому, батареек.
Сейчас появилось очень много электротранспорта: электромобили, электробусы, аквабусы и электросамокаты. Мобильные телефоны и ноутбуки стали заряд дольше держать: лет 10 назад телефон работал 3–4 часа,
Учёный, химфаком МГУ рождённый, повелитель грантов РНФ, грантов президента и молодёжной лаборатории, руководитель бакалавров, магистров и первых аспирантов.
тест
Что такое электрон?
Что ученые делают с паразитными ионами?
Какая атмосфера поддерживается в перчаточном боксе?
На что похожа полимерная мембрана?
Что команда Софьи сделала первой в мире?
Но чтобы от этих электронов получить пользу в батарее, нам нужен электролит. Он будет переносить туда-сюда ионы между положительным и отрицательным зарядом батареи, создавая электрический ток в процессе зарядки и разрядки
Электроны, хомячки и котики
Электрон — частица-носитель отрицательного заряда.
Разный материал — разная мощность.
Разный материал электродов определяет потенциал в батарейке.
Именно от разности потенциалов (то есть как быстро или медленно металл отдаёт или забирает электроны) и создаётся электрическое напряжение в батарее.
Электрохимический ряд напряжения металлов в порядке убывания: от лития (Li), который имеет низкий потенциал, но высокую активность (мало электронов, но зато есть сила забрать электроны у других элементов); до золота (Au), которое имеет высокий потенциал, но низкую активность (много электронов и не против, если у него их заберут).
Самый простой способ получить невинный заряд малого тока — статическое электричество, которое образуется за счет трения. В нашем случае, пластиковая расческа, грубо говоря, забирает избыток электронов от волос, приобретая отрицательный заряд. А отдавшие свои электроны волосы приобретают положительный заряд. При этой разнице зарядов возникает притяжение.
Электрон — отрицательный он!
Электролит разделяет электроды и проводит ионы. Ионы — группа атомов, которые несут заряд, в нашем случае положительный.
Электролит — ионам через себя идти велит!
Электрод — путь электронов.
Электроны — они как деньги — везде одинаковые.
Электрод — электронов путепровод
Ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряды бывают положительные и отрицательные.
Змее вообще прикосновения не нужны, но и энергию она владельцам меньше даёт — это как аккумулятор на лимонах или картошке — работает, но больше для забавы.
Эту проводимость ионов в электролите можно сравнить с нашей заботой о домашнем животном. Погладили кота — он вам мурчание. А то ведь без ласкового слова он укусит и убежит. Точно так же и в батарее. Для попугая нужно будет больше разговоров, чем поглаживаний.
И в обыкновенных щелочных батарейках
И в топливных элементах
Они есть и в литии-ионных батареях
Li
Rb
K
Ba
Sr
Ca
Na
Mg
Химически активные металлы
Al
Mn
Zn
Cr
Fe
Cd
Co
Ni
Sn
Металлы средней активности
H
Sb
Bi
Cu
Hg
Ag
Pd
Pt
Au
Химически неактивные металлы
Из безопасных средств передвижения топ-1 по-прежнему скандинавская ходьба
Как мембрана нового поколения может остановить восстание машин
Все батарейки основаны на том, что мы разделяем в пространстве две полуреакции: отдачи и принятия электронов. Обычная окислительно-восстановительная реакция — как поход в магазин, дали деньги — получили товар.
Что нужно сделать, чтобы батарейки не взрывались и восстание машин началось быстрее? Надо заменить жидкий электролит на твёрдую полимерную мембрану.
Как будто если ток, то безопасно? Ересь!
А в батарейке мы создали маркетплейс, научный Вайлдберриз, хи-хи, т. е. разделили в пространстве получение денег от покупателя к продавцу через посредника.
В обычной жизни эти реакции происходят в одном пространстве — колба, стакан или просто участок в пространстве. Например, горение древесины в камине.
NB:
Согласно дополнительным разъяснениям Рендела Фрейкса (друга Джеймса Кемерона), данным в книге «Терминатор-2: Судный день», модель T1000 (антагонист Шварценеггера) целиком состоит из подвижного жидкометаллического сплава, который произвольно меняет форму, агрегатное состояние и окрас. Каждая молекула этого мимикрирующего полисплава запрограммирована на соединение с основной массой в радиусе до 14 км.
Согласно дополнительным разъяснениям Рендела Фрейкса (друга Джеймса Кемерона), данным в книге «Терминатор-2: Судный день», модель T1000 (антагонист Шварценеггера) целиком состоит из подвижного жидкометаллического сплава, который произвольно меняет форму, агрегатное состояние и окрас. Каждая молекула этого мимикрирующего полисплава запрограммирована на соединение с основной массой в радиусе до 14 км.
На самом деле, все ответы правильные, но первые три — нет.
Он взрывается?
Люблю запах напалма по утрам
Он капает как беляш?
Терминатор испортил репутацию слова «жидкий»?
Если электролит больше 100 мл, то не пускают в самолёт?
Не ездит и безопасно!
Только на ВБ, если заказ вовремя привезли и без очереди выдали, напряжение упадёт, а в батарейке возрастёт!
Слоган нашего маркетплейса:
А все думали, что это только машины на бензиновых двигателях взрываются, как в индийских боевиках. Только столкнулись, и сразу взрыв. И Вин Дизель уходит в закат…
Да, минус жидкого электролита — низкая безопасность. Машины «Теслы» при ДТП очень хорошо горят, и помните эти истории из новостей, где взрываются телефоны?
Причина взрывоопасности именно в жидком электролите — он вытекает при механическом повреждении и сделан из горючих материалов. Помните, в «Терминаторе» был жидкий робот, который расплавлялся и сам же восстанавливался? Кажется, что он был на жидком электролите. Но нет! Был бы на жидком электролите — после первой же пули он бы загорелся и взорвался. И восстание машин бы тут же прекратилось.
Правда, современные твёрдые полимерные электролиты обладают значительно низкой проводимостью ионов, чем жидкие электролиты. Это значит, что нам не хватит мощности даже включить телефон, не то что ездить на машине. Но во всем свои плюсы.
Мембрана разделяет катод и анод, предотвращая прямое между ними электрическое соединение (короткое замыкание)
Когда мы начинаем пользоваться батареей (подаем на нее нагрузку), ионы лития покидают графитовый анод и возвращаются к катоду, попутно высвобождая электроны. Так создается электрический ток.
B
Когда мы заряжаем батарею (подаем на нее напряжение), ионы лития отрываются от катода и встраиваются в молекулярную структуру графитового анода. Так восполняются запасы ионов лития в аноде и восстанавливается энергоемкость батареи.
A
В окислительно-восстановительной реакции, происходящей в батарее (ну, или магия, чтоб вам проще было) одно вещество отдаёт электроны, другое их принимает и переносит электроны — ионы. Ионы как курьерская доставка электронов. То есть у нас две реакции — отдать электроны и принять электроны.
Наша навигация приближает создание безопасной батарейки для электротранспорта. Как же это происходит? Для сбора батареек и тестовых ячеек мы используем перчаточный бокс — надеваем перчатки, выходим на ринг
и… бокс!
А не будете проводить ионы — отправим в бан!
Наша группа разрабатывает пути повышения ионной проводимости для полимерных мембран
Есть хорошие ионы лития, которые должны добраться от одного электрода к другому, и паразитные ионы, например, протоны, которые займут дорогу и не дадут пройти ионам лития, но сами вклад в мощность батарейки не сделают. Мы их ищем и баним!
Короче, мы создаём для них электросамокаты. Кого раздражают электросамокаты? Ага, всех. Раздражают же не все водители, а конкретные паразиты: те, кто ездит по двое, сбивает людей, бросается под колеса. Паразиты, в общем! Таких надо штрафовать и блокировать доступ! Так и у нас с мембранами!
А в твёрдом электролите — как в дремучем лесу: куда идти? Ветки и деревья мешают, об корни споткнуться можно, можно и заблудиться.
Перемещение ионов в жидком электролите — как бег по благоустроенному парку. Много места, никто не мешает, цель (электрод) видна издалека.
Нет, на самом деле это закрытая камера, куда можно засунуть только руки через перчатки. Как в «Форт Боярд» на испытаниях. Только у нас монеты не посыпятся — мы сами их создаём.
В боксе поддерживается атмосфера без кислорода и воды. Почему? Потому что мы работаем с литием — электродным материалом батарейки, а он разлагается при воздействии воды и кислорода. Поэтому внутри бокса аргон — он инертный. Аргону этот мир абсолютно понятен.
Мы превращаем леса в парки с понятной навигацией, но с уважением к природе. Чтобы ионы могли по этой красоте быстро и легко перемещаться.
Выглядят эти мембраны как файлик или прозрачный пакет. У многих дома есть пакет с пакетами, а у нас в лаборатории пакет с мембранами.
Нашим ученым американская таможня не помеха!
Наверное…
Я работала в Португалии и Канаде, а также была на конференциях в Южной Корее, Сингапуре, США и Испании. При этом все путешествия ощущаются очень безопасными — тебя всегда поддержат и помогут коллеги из университета (ведьмаки из других школ)
Вкратце рассказала им про электрон, электрод и электролит… Быстро выпроводили. Называли crazy russian и махали рукой!
Я была в тренде. Хорошо, что тогда вышла «Барби», а не «Техасская резня бензопилой»... Бензопилы мне совсем не идут.
Вторая, связанная с первой: периодически любой учёный проходит дополнительный квест — поездка на научную конференцию или к уникальной научной установке, и это возможно в любое время, даже в пандемию. Всем известно, коронавирус не трогает одержимых учёных!
К слову, о мире. У работы учёного есть две особенности. Первая: естественные науки одинаковы во всем мире, поэтому можно работать в любой точке земного шара и легко понимать иностранных коллег без знания языка — общайтесь формулами и графиками. А если не нашли общего языка — надели перчатки и… бокс!
2025
2023
Я еду на конференцию в США через тот же аэропорт, но не наряжаюсь в Барби (джинсы, очки, хвостик). Итог: меня отвели на дополнительный допрос о целях пребывания в США…
Cанкции, а мне на синхротрон хочется… Тогда только вышел фильм «Барби», и, чтобы спокойнее пройти через границу Россия — США, я надела все розовое, локоны и макияж. Пограничники почти не смотрели в мои документы, а махали рукой и говорили: «Хей, Барби!»
Например, в 2023 году я ездила на синхротрон в Брукхейвенскую национальную лабораторию в США. Синхротрон — это ускоритель частиц, кольцо периметром около 1 км. С его помощью можно узнать наноструктуру материалов, прочитать древние свитки, определить состав белка. Говорят, даже найти вечную молодость или понять, что делать с нераскрывшимися фисташками.
год
год
Ожидайте в скором времени новые: электротранспорт с безопасными литиевыми батареями, и водородные скоростные поезда, и лодки, а также космические аппараты!
Будет вам супербатарейка. Наша. Первая в мире
Супербатарейка! От химика 16-го уровня, руководителя бакалавров, магистров и первых аспирантов. Матери мембран и заклинательницы американской таможни!
Мы сделали это первыми в мире!
Мы с командой решили квест про состав нашей мембраны, разработали структуру и осуществили синтез нового ионного полимера.
Рок-звезды российской науки
При поддержке
В спецпроекте использованы мемы и изображения нейросетей и свободных источников (пародия на плакат «Ленгиз» авторства В. Родченко), платные изображения: Bjoern Wylezich/Shutterstock/Fotodom, Art789/Shutterstock/Fotodom, ValdekS/Shutterstock/Fotodom, Shutterstock-Pixelsquid/Shutterstock/Fotodom, gresei/Shutterstock/Fotodom, NeoLeo/Shutterstock/Fotodom, Vink Fan/Shutterstock/Fotodom, Quality Stock Arts/Shutterstock/Fotodom, Eder Paisan/Shutterstock/Fotodom, peterschreiber. media/Shutterstock/Fotodom, JLStock/Shutterstock/Fotodom, Kitthanes/Shutterstock/Fotodom, а также кадры из фильмов: «Интерстеллар» (2014. Legendary Pictures, Lynda Obst Productions, Paramount Pictures, Syncopy, Warner Bros. Pictures. Сценарий: Джонатан Нолан, Кристофер Нолан. Режиссер —Кристофер Нолан. Композитор — Ханс Циммер), «Симпсоны» (1989—… 20th Television Animation, The Curiosity Company, Fox Television Animation, Gracie Films. Автор идеи: Мэтт Гроунинг), «Терминатор 2: Судный день» (1991. Canal Plus, Carolco Pictures Inc., Lightstorm Entertainment, Pacific Western, T2 Productions. Сценарий: Джеймс Кэмерон, Уильям Уишер мл. Режиссер — Брэд Фидель. Композитор — Сильвестр Левай), «Пятый элемент» (1997, Gaumont. Сценарий: Роберт Марк Кэмен, Люк Бессон. Режиссер — Люк Бессон. Композитор — Эрик Серра), «Счастливы вместе» (2006—2013. Леан-М, Sony Pictures Releasing. Авторы оригинальной идеи: Рон Ливвит и Майкл Дж. Мое), «Бриллиантовая рука» (1968. Мосфильм. Режиссер — Леонид Гайдай. Сценарий: Леонид Гайдай, Яков Костюковский, Морис Слободской. Композитор — Александр Зацепин), «Форсаж 10» (2023. Режиссер — Луи Летерье. Сценарий: Дэн Мазо, Джастин Лин, Зак Дин, Гэри Скотт Томпсон. Композитор — Брайан Тайлер), «Эй, Арнольд» (1996—2004. Nickelodeon Animation Studios, Snee-Oosh Productions. Автор идеи: Крейг Бартлетт), «Техасская резня бензопилой» (1974. Vortex. Режиссер — Тоуб Хупер. Сценарий: Тоуб Хупер, Ким Хенкел. Композиторы: Вейн Белл, Тоуб Хупер), «Своя игра» (1994… Продюсерский центр «Видео Интернешнл» / Студия 2 В / 2V Media. Авторы: Сергей Пехлецкий, Сергей Бражников), «Барби» (2023. Heyday Films, LuckyChap Entertainment, Mattel Films, NBGG Pictures, Warner Bros. Режиссер — Грета Гервиг. Сценарий: Грета Гервиг, Ноа Баумбак. Композиторы: Марк Ронсон, Эндрю В. Блейкмор), «Отряд самоубийц» (2016. Atlas Entertainment, DC Comics, DC Entertainment, Dune Entertainment, Lin Pictures, Warner Bros. Pictures. Режиссер — Дэвид Эйр. Сценарий: Дэвид Эйр, Джон Острандер. Композитор — Стивен Прайс)