Все, что вы не знали о современных батарейках

Что движет учеными? Как они приходят в науку? Как выбирают тему своих исследований? На эти и другие вопросы ответила Асия Ермухамбетова, постдокторант Школы инженерии Назарбаев Университета.

Асия получила степень доктора Ph.D в Химической Инженерии в University College London (Великобритания). Тема ее диссертации посвящена изучению оптимизации и механизма работы литий-серных аккумуляторов. Во время своих исследований PhD в Лаборатории электрохимических инноваций при University College London она впервые применила многомасштабную микроскопию и томографию для изучения микроструктура литий-серного электрода в режиме in-situ. Сегодня Асия возглавляет Альянс молодых ученых Назарбаев Университета. 

— Асия, в каком возрасте вас заинтересовали энергетика, электрохимия, химия?

— Все началось еще в школе с моего увлечения химией. Мне было важно понимать явления, с которыми сталкиваешься в жизни, в быту: как горит керосин, бензин; почему при горении разных веществ возникает тот или иной запах; почему сахарный песок растворяется быстрее, чем кусковой; или зачем для выпечки гасят уксусной кислотой соду, зачем вообще их туда добавляют и т.д. Вначале эти ответы находишь у родителей, потом вопросов становится больше, и сама того не замечая, я стала все больше читать о химии.

Помню, что еще в старших классах прочитала о том, как некий ученый американец утверждал, что созданная им ячейка может вместо бензина использовать воду в качестве топлива для автомобиля. Конечно, заявления Стэнли Мейера не получили подтверждения, но так я познакомилась с процессом электролиза. Уже обучаясь в Лондоне на магистратуре, я увидела топливные элементы – ячейки, которые преобразовывают химическую энергию в электрическую. Увидела их и в действии на установке и в мини-автомобиле, собранном группой студентов. 

— Кто повлиял на выбор вашей будущей профессии?

— На выбор будущей профессии повлияла учительница химии Ридная Юнона Викторовна, учитель от Бога. Как раз-таки после ее уроков мы стали понимать названия на упаковках порошка или косметики и можем как-то разобраться, вреден ли продукт или нет. И конечно моя мама, она ветеринар по профессии и больше 25 лет преподавала в Аграрном Университете им. С. Сейфуллина.

— Тема вашей исследовательской работы «Разработка литий-серных батарей и изучение механизмов их работы и отказа» как она применима в повседневной жизни?

— Литий-серные батареи — это батареи следующего поколения, теоретически их энергетическая емкость в пять раз превышает существующие литий-ионные батареи. Такой тип аккумуляторов в качестве эксперимента использовался в августе 2008 года при рекордно высоком и продолжительном полёте на самолёте на солнечных батареях. Однако, несмотря на эти преимущества, есть ряд проблем, из-за которых при длительной работе литий-серные батареи становятся нестабильными, что не позволяет запустить их массовое производство и, например, использовать в электромобилях.

В моем исследовании я задалась вопросом, а как меняется батарея при эксплуатации, и что именно влияет на ее нестабильность. Я в своей работе применила не совсем традиционные для химиков методы компьютерной томографии, изучая, как меняется микроструктура батареи при эксплуатации, и при этом не разбирая батарею на части.

Тема моего нового исследования связана с пористыми структурами и материалами, с исследованием процессов переноса. Знание явлений переноса является основой для многих процессов в промышленности. Например, в нефтяной — для прогнозирования фильтрования нефти, в охране окружающей среды — для контроля диффузии загрязняющих веществ, в мембранные технологиях — для биологических и медицинских целей и т. д.

— В связи с вредными для экологии свойствами батареек внедрены специальные пункты их приема и утилизации. Существует ли альтернатива сегодняшним батареям, есть ли способы снижения их токсичности?

— Сегодня многие ученые озабочены вопросом уменьшения токсичности батареек. Например, основная проблема токсичности литий-ионных батареек – это органические электролиты, именно они и вызывают воспламенение, они токсичны при вскрытии. Сегодня ученые пытаются создать батареи на основе водного электролита или твердого керамического электролита, полностью углеродной батареи и другие технологии с использованием менее «вредных» материалов. Все это требует много времени и инвестиций.

Что каждый из нас может сделать сегодня? Во-первых, использовать по назначению. Солевые и алкалиновые батареи не любят больших токов разряда, однако они дешевле и позволяют держать длительный заряд, если потребление низкое —  к примеру, их используют в настенных часах. Они не подойдут для электроники или детских игрушек – там лучше справятся литий-ионные батареи, которые также можно перезаряжать. Хранение батарей при перегреве или, наоборот, при низкой температуре также уменьшает срок их службы. Есть разные требования зарядки к никель-кадмиевым и литий-ионным батареям.

— Асия, легко ли вам быть женщиной-ученым в области химической инженерии?

— Когда выбор осознанный, то все сложности преодолимы. В двадцать лет, выбирая специализацию, я вряд ли понимала насколько сложным будет мой путь. Но не могу точно сказать, что мне всегда было легко или сложно. Девушек, обучающихся на инженерных специальностях на уровне бакалавриата в разы больше, чем самих женщин-инженеров, также и с женщинами – учеными в области точных наук. Будучи PhD-докторантом в University College London я тоже была в меньшинстве. Это ощутимо, когда в работе нет элементарных вещей, таких как устройство для поднятия тяжестей, каталок. Чем больше будет женщин в нашей сфере, тем быстрее улучшатся возможности для нас.

— Сейчас часто можно услышать мнение, что нужно сокращать поддержку фундаментальных исследований, и финансировать прикладные разработки. Каково ваше мнение?

— Именно фундаментальные исследования генерируют новые знания. В последнем докладе ЮНЕСКО говорится о том, что финансирование фундаментальных исследований не только не сокращается, но и увеличивается. В США, например, правительство финансирует фундаментальные исследования, оставляя за промышленностью ведущую роль в поддержке прикладных исследований. В Южной Корее, в Китае увеличивают свои расходы на фундаментальную науку; Европейский союз, несмотря на кризис, поддерживает уровень своих обязательств по поддержке фундаментальных наук. Наука — это конкурентное преимущество страны, которое необходимо развивать, прямые инвестиции в человеческий капитал.

И то и другое важно. Другое дело, что за исключением ряда стран, фундаментальные исследования финансово затратные. При этом не стоит рассматривать и приравнивать прикладные исследования к конкретным результатам и подтверждениям концепций, прямо на этапе подачи заявки на грант.