Батарея звичайного смартфона в умовах щоденної зарядки працюватиме три-чотири роки. Чи можна збільшити термін її використання та ємність, наприклад, вдесятеро? Ставимо це запитання професору кафедри матеріалознавства і новітніх технологій Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника Володимиру Коцюбинському. Він та його команда працює над створенням нових електродних матеріалів для новітніх джерел струму – гібридних суперконденсаторів. Проєкт «Асиметричні суперконденсатори з водним електролітом на основі нанокомпозитів оксиди заліза і нікелю/відновлений оксид графену та мікропористого вуглецю» переміг в конкурсі Національного фонду досліджень України і отримав грантове фінансування у розмірі близько 6,7 мільйонів гривень.
Науковий керівник проєкту одразу наголошує на тому, що як би не хотілося відповісти на запитання ствердно, він спиратиметься лише на факти й реальні можливості.
Природу неможливо обманути, проте з нею можна домовитися
Отже: чи можна збільшити термін використання та місткість батареї? І як саме? Науковець пояснив, що зазвичай у смартфонах використовують літій-іонну батарею, яка має ряд незаперечних переваг. Основною перевагою є густина енергії, тобто енергія, накопичена одиницею маси джерела струму. Недоліком літій-іонної батареї є неможливість використовувати високі струми заряду чи розряду. Наприклад, при «ємності» батареї 4000 мА*год, або 4 А*год, через зарядний пристрій з вихідним струмом 2 А смартфон зарядиться за дві години. Швидше не вийде, оскільки при використовуванні більшого струму заряду ресурс накопичувача знижується. Утім, окрім літієвих джерел струму існують суперконденсатори-іоністори. Вони містять вуглецеві матеріали, володіють приблизно у 10 разів меншою густиною енергії й водночас мають значно вищу густину потужності, тобто заряджаючи, можна застосовувати значно більші струми заряду-розряду, і при цьому ресурс суперконденсатора становитиме десятки й сотні тисяч циклів.
– Метою проєкту і є розробка гібридних систем, характеристики яких знаходяться між іоністорами та літієвими батареями, – продовжив розповідь Володимир Коцюбинський. – Намагаємося знайти певний компроміс – створити гібридну систему, для якої густини й енергії, і потужності будуть прийнятними з експлуатаційної точки зору. Система матиме швидкий заряд і достатньо високі значення густини енергії. У цьому й полягає актуальність тематики проєкту. Допомогти нам мають саме композитні електродні матеріали на основі вуглецевих наноструктур (відновленого оксиду графену чи пористого вуглецю) та оксидів металів.
Конструювання макетів гібридних суперконденсаторів відбуватиметься в наступних етапах проєкту, сьогодні ж зусилля науковців сконцентровано на отриманні нових матеріалів та тестуванні комплексу їх фізико-хімічних властивостей
Найважливіше – команда
Усі члени команди (а це дев’ять осіб) працюють чи навчаються на фізико-технічному факультеті Прикарпатського університету. До команди входять чотири доктори наук, три докторанти, аспірант і студент. Останній, до речі, цьогоріч отримав призове місце у Всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт за спеціальністю «Хімічні технології та інженерія». Його робота стосувалася розробки простого методу контролю ступеню відновлення оксиду графену методами оптичної спектроскопії.
Фаховий рівень команди дуже високий: науковці захистили роботи зі спеціальності «Фізика і хімія поверхні», працюють на стику наук, де можна отримати нові й цікаві результати. «Поверхня твердого тіла – особливе й складне поле досліджень. Можна процитувати Вольфганга Паулі, який писав, що об’єми тіл створив Бог, а поверхню – диявол, – сміється пан Володимир. – Наша команда створює наноматеріали, окремі частинки яких мають розмір десять нанометрів чи й менше. У цьому випадку значна частина частинки, як би дивно це не звучало, припадає на її поверхню. Фізичні й хімічні властивості таких матеріалів зовсім інші, тобто розмір справді має значення».
Дороге обладнання за кошти держави
Фінансування, передбачене на перше півріччя 2021 року, для команди проєкту стало найважливішим. Саме на цей час було заплановано придбання принципово важливого для роботи приладу – рентгенівського дифрактометра, вартість якого становить 3 мільйони 850 тисяч грн.
– Придбання приладу, монтаж системи водяного охолодження для дифрактометра та оплата розхідних матеріалів та послуг забрали майже всі кошти на перше півріччя, – пояснив пан Володимир. – Але це фантастична можливість придбати обладнання такого рівня. Я вдячний фонду, який пішов нам назустріч і змістив графік фінансування, що дозволило розпочати процедуру закупівлі.
Новий прилад в університеті очікують з нетерпінням. І це не дивно, адже матеріалознавчі дослідження високого рівня, які матимуть хороші результати й стануть основою нових технологічних рішень, неможливі без цілого комплексу обладнання – як наукового, так і інженерного протягом наступних етапів заплановано придбання спеціалізованого обладнання для виготовлення електродів джерел живлення).
– Усі наші проєкти будуємо за принципом: якісна наука неможлива без обладнання, навчання студентів та аспірантів неможливе без наукової діяльності, – зазначив дослідник. – До речі, під час виконання проєктів Фонду цивільних досліджень та розвитку США, Українського науково-технічного центру та інших ми зібрали унікальний дослідницький комплекс. Саме в Івано-Франківську працює єдиний в Україні месбауерівський спектрометр. Кожні 3-4 роки ми шукаємо кошти й купуємо нове радіоактивне джерело для його роботи. Сподіваємося, що придбати таке джерело вдасться і в рамках проєкту НФДУ.
І можливість, і відповідальність
Запитуємо наукового керівника і про труднощі, які виникали під час виконання проєкту. Володимир Олегович відповів, що труднощів у робочих моментах вистачає, але команда вперто рухається до мети; її члени розуміють, що проєкт – це можливість синтезувати знання та вміння в нову якість, результат та технологічні рішення.
– Це дуже хороша можливість і водночас велика відповідальність, – зауважив співбесідник. – Труднощів, звісно, вистачає, особливо у робочих моментах. Хочу подякувати фонду за прозорі й зрозумілі умови подачі заявок та звітності. Це беззаперечний крок вперед у порівнянні з іншими державними структурами, що фінансували чи фінансують науку в Україні.
Ученим, які сьогодні готують заявки на конкурси фонду, Володимир Коцюбинський радить знайти реальну ідею, що передбачає рішеннячи кроки до вирішення справді актуальної проблеми, а також – розробити максимально структурований та деталізований план дій (образно кажучи, науковий бізнес-план). І найважливіше – підібрати активну, досвідчену команду, члени якої зможуть ефективно працювати й досягти результату.
Світлана ГАЛАТА
