История проекта
Как любой научный проект, наш проект прошел длинный путь. Первоначальная идея осталась неизменной, но менялись технологии и подходы, а также рассматриваемые области применения. Было проработано множество гипотез и путей развития. Некоторые пути по началу давали хорошие результаты, но вскоре заходили в тупик. От тупиковых идей приходилось отказываться, возвращаться немного назад и двигаться дальше
2026 - Последние достижения
Недостатком текущего решения является необходимость наличия 2 типов ячеек - одна под заряд (электролизер), а другая под разряд (батарея). Команда работает над устранением данного недостатка. В лабораторных условиях удалось провести эксперименты с трех-электродным топливным элементом, позволяющим в одном корпусе заряжать и разряжать анодный блок. Проведено несколько десятков циклов заряд-разряд в результате которых деградация топливного элемента не была обнаружена.
В случае создания полноценного лабораторного образца трех-электродной батареи, решение может работать как обычная аккумуляторная батарея, не требующая извлечения анодного блока. При этом решение сохранит достоинства изобретения - позволит заряжать, складировать, перевозить и разряжать в другом месте анодные блоки.
Недостатком текущего решения является необходимость наличия 2 типов ячеек - одна под заряд (электролизер), а другая под разряд (батарея). Команда работает над устранением данного недостатка. В лабораторных условиях удалось провести эксперименты с трех-электродным топливным элементом, позволяющим в одном корпусе заряжать и разряжать анодный блок. Проведено несколько десятков циклов заряд-разряд в результате которых деградация топливного элемента не была обнаружена.
В случае создания полноценного лабораторного образца трех-электродной батареи, решение может работать как обычная аккумуляторная батарея, не требующая извлечения анодного блока. При этом решение сохранит достоинства изобретения - позволит заряжать, складировать, перевозить и разряжать в другом месте анодные блоки.
2026 Перезаряжаемый анодный блок
Заморозив идею с гранулами, команда упростила конструкцию и создала новую ячейку, где носителем является анодный блок, состоящий из множества кассет. Каждая кассета имеет пластиковый корпус, защищающий металлическую сетку, на который наносится цинк.
Анодный блок можно вставлять в ячейки двух типов:
Заморозив идею с гранулами, команда упростила конструкцию и создала новую ячейку, где носителем является анодный блок, состоящий из множества кассет. Каждая кассета имеет пластиковый корпус, защищающий металлическую сетку, на который наносится цинк.
Анодный блок можно вставлять в ячейки двух типов:
- Электролизер - здесь происходит заряд (цинк наносится на сетку)
- Батарея - здесь происходит разряд
Эксперименты дошли до очень высокого уровня. Электролит из батареи можно было заливать в электролизер, заряжая анодные блоки заново и наоборот - после заряда тот же электролит можно было залить снова в батарею. Емкость заряда в анодном блоке удалось значительно увеличить, теперь она составляла не менее 0,4 А*ч/см2. Мощность батареи составляла от 80 до 150 мА/см2 и ограничивалась лишь расстоянием от анода до катода и характеристиками катода.
2025 Гранулы из монеток
Однажды после многократных экспериментов с гранулами, автор изобретения поместил в ячейку вместо цинковых гранул оцинкованные гайки и удивился - топливный элемент работал и выдавал неплохие характеристики, не сильно уступающие обычным гранулам. Тогда пришла идея не создавать гранулы из порошка, а наносить цинк на готовую проводящую основу.
Однажды после многократных экспериментов с гранулами, автор изобретения поместил в ячейку вместо цинковых гранул оцинкованные гайки и удивился - топливный элемент работал и выдавал неплохие характеристики, не сильно уступающие обычным гранулам. Тогда пришла идея не создавать гранулы из порошка, а наносить цинк на готовую проводящую основу.
Метод по своей сути сравним с обычным гальваническим цинкованием металла. Осталось выбрать поверхность и металл для нанесения. В рамках экспериментов рассматривались различные металлы (сам цинк, медь, никель, чугун, легированная сталь, чистое железо, нержавеющая сталь) и их различные формы (пористый металл, матовая / глянцевая пластины, гранулы, шарики, сетка). В результате экспериментов выяснилось, что цинк на цинк наносится плохо, а лучшим кандидатом является тонкая сетка из нержавеющей стали определенной марки, формы и размера ячеек.
Несмотря на изменение подхода, команде не хотелось менять концепцию первоначальной идеи с гранулами. Тем более, что автором был получен патент на изобретение, где носителем заряда являлась гранула.
Поэтому было решено представить гранулу в форме монетки небольшого размера.
Несмотря на изменение подхода, команде не хотелось менять концепцию первоначальной идеи с гранулами. Тем более, что автором был получен патент на изобретение, где носителем заряда являлась гранула.
Поэтому было решено представить гранулу в форме монетки небольшого размера.
Вторая половина 2025 года проходила в десятках экспериментов и попыток создать оптимальную конструкцию ячейки и механизм, позволяющий автоматически принимать монетки в ячейку и сбрасывать их после разряда. Конструкция оказалась слишком сложной и не надежной. Монетки заклинивались, принимающие и выталкивающие рычаги периодически заедали. Да и нанесенный слой цинка на сетку монеток держался недостаточно крепко, чтобы выдерживать их удар друг о друга и трение.
Команде пришлось принять единственное верное решение и отложить идею с гранулами "до лучших времен", а пока развивать саму технологию на более простой конструкции.
Команде пришлось принять единственное верное решение и отложить идею с гранулами "до лучших времен", а пока развивать саму технологию на более простой конструкции.
2024-2025 Гранулы из цинка
В процессе общения с российским научным сообществом удалось привлечь к проекту неравнодушных ученых и усилить научную составляющую команды.
Команда посвятила более месяца на изучение зарубежной научной литературы и определило цинк-воздушную основу как наиболее перспективную по ряду причин:
В процессе общения с российским научным сообществом удалось привлечь к проекту неравнодушных ученых и усилить научную составляющую команды.
Команда посвятила более месяца на изучение зарубежной научной литературы и определило цинк-воздушную основу как наиболее перспективную по ряду причин:
- Цинк гораздо более стабилен и почти не корродирует в щелочном электролите - гораздо меньшие потери воды и водород практически не выделяется.
- Теоретически цинк можно восстановить от обычной сети, хотя на практике мало кто добивался значительных успехов.
Выяснилось, что созданием топливных элементов из цинка и в частности - из цинковых гранул занимались на западе. В 1996 году в городе Бремене (Германия) запустили пилотный проект по работе парка электромобилей Deutsche Post на цинк-воздушных батареях. Батареи состояли из кассет, заправленных цинком. Цинк восстанавливали в виде порошка и наносили на кассету методом прессования. В 2001 году в Лас Вегас (США) запустили в тестовый рейс электробус на цинк-воздушных батареях, где цинк представлял собой те самые гранулы миллиметрового размера. Изготавливали данные гранулы в цеху методом прессования цинкового порошка, его последующего волочения до проволоки и резки на гранулы.
Команде удалось воспроизвести результаты, достигнутые на западе на базе цинковых гранул размером 2 мм и воздушных катодов ОИВТ РАН. Результат оказался впечатляющим - 240 мА мВт/см2 при силе тока 290 мА/см2. Оказалось, что размер гранул играет решающее значение - при микроскопическом (порошковом) размере разряд идет очень неэффективно (идет коррозия), но при размерах более 3 мм гранулы не выдают должной мощности и быстро пассивируют.
Несмотря на весьма позитивные результаты, дальнейшее развитие решения на цинковых гранулах пришлось приостановить т.к. в дело включилась экономика. Анализ всех работ показал отсутствие дешевого способа восстановления цинковых гранул из продуктов реакции. Это либо дорогостоящие механические воздействия (прессование, волочение, резка), либо сложно реализуемые и не надежные технологии (выращивание кристаллов или восстановление частично отработанных гранул в кипящем слое). При любой реализации цинковая гранула получалась дорогой и неконкурентоспособной со стоимостью углеводородов или тем более ценой энергии на заряд Li-Ion аккумулятора.
Команде удалось воспроизвести результаты, достигнутые на западе на базе цинковых гранул размером 2 мм и воздушных катодов ОИВТ РАН. Результат оказался впечатляющим - 240 мА мВт/см2 при силе тока 290 мА/см2. Оказалось, что размер гранул играет решающее значение - при микроскопическом (порошковом) размере разряд идет очень неэффективно (идет коррозия), но при размерах более 3 мм гранулы не выдают должной мощности и быстро пассивируют.
Несмотря на весьма позитивные результаты, дальнейшее развитие решения на цинковых гранулах пришлось приостановить т.к. в дело включилась экономика. Анализ всех работ показал отсутствие дешевого способа восстановления цинковых гранул из продуктов реакции. Это либо дорогостоящие механические воздействия (прессование, волочение, резка), либо сложно реализуемые и не надежные технологии (выращивание кристаллов или восстановление частично отработанных гранул в кипящем слое). При любой реализации цинковая гранула получалась дорогой и неконкурентоспособной со стоимостью углеводородов или тем более ценой энергии на заряд Li-Ion аккумулятора.
2024 Гранулы из алюминия и магния
Санкции против России только расширялись и сотрудничать с лабораторией в Испании становилось все сложнее. Поэтому было принято решение сменить локацию и развивать проект в РФ.
Автору изобретения удалось собрать команду из единомышленников и воссоздать схожую лабораторную ячейку в России. Однако показатели ячейки были даже хуже достигнутых результатов в Испании. Основная причина была в воздушных катодах, заказанных в Китае, которые не выдавали нужную мощность.
Анализ рынка РФ показал, что несколько научных институтов (МАИ, ОИВТ РАН) занимались созданием алюминий-воздушных батарей с классическим плоским анодом. Также на рынке существовала компания AL Technologies, являющаяся резидентом Сколково и занимающаяся алюминий-воздушными топливными элементами.
Санкции против России только расширялись и сотрудничать с лабораторией в Испании становилось все сложнее. Поэтому было принято решение сменить локацию и развивать проект в РФ.
Автору изобретения удалось собрать команду из единомышленников и воссоздать схожую лабораторную ячейку в России. Однако показатели ячейки были даже хуже достигнутых результатов в Испании. Основная причина была в воздушных катодах, заказанных в Китае, которые не выдавали нужную мощность.
Анализ рынка РФ показал, что несколько научных институтов (МАИ, ОИВТ РАН) занимались созданием алюминий-воздушных батарей с классическим плоским анодом. Также на рынке существовала компания AL Technologies, являющаяся резидентом Сколково и занимающаяся алюминий-воздушными топливными элементами.
Организации добились существенных результатов в изготовлении воздушных катодов. Им удалось добиться мощности в 120-150 мА/см2. Более того сотрудниками МАИ еще в 90х годах удалось создать электромобиль, работающий на алюминий-воздушной батарее.
Познакомившись с представителями организаций, проектной команде удалось узнать много нового. Выяснилось, что технология полностью утопленного в электролит катода с воздушным барботированием (его применяли при экспериментах в Испании) не эффективна и давно не применяется - современные воздушные катоды не пропускают воду и состоят из 2 сторон: одна находится на воздухе и впитывает его, другая омывается электролитом и насыщает его кислородом. Эксперименты на катодах AL Technologies и ОИВТ РАН показали значительно более высокие результаты и были в разы лучше ранее проведенных опытов.
Тем не менее после ознакомления с опытом коллег от алюминий-воздушной и магний-воздушной основы пришлось отказаться по ряду причин, наиболее существенные из которых три:
Познакомившись с представителями организаций, проектной команде удалось узнать много нового. Выяснилось, что технология полностью утопленного в электролит катода с воздушным барботированием (его применяли при экспериментах в Испании) не эффективна и давно не применяется - современные воздушные катоды не пропускают воду и состоят из 2 сторон: одна находится на воздухе и впитывает его, другая омывается электролитом и насыщает его кислородом. Эксперименты на катодах AL Technologies и ОИВТ РАН показали значительно более высокие результаты и были в разы лучше ранее проведенных опытов.
Тем не менее после ознакомления с опытом коллег от алюминий-воздушной и магний-воздушной основы пришлось отказаться по ряду причин, наиболее существенные из которых три:
- Чистый алюминий корродирует в щелочном электролите. Чтобы избежать коррозии требуется создавать специальный сплав алюминия с индием - дорогим и редкоземельным металлом. Магний также сильно корродирует в солевом электролите и со временем пассивируется.
- При работе топливного элемента выделяется значительное количество водорода - взрывоопасного газа, который образуется из воды электролита. Дополнительно в связи с коррозией, в топливном элементе электролит постоянно расходуется и приходится доливать воду, что требует около 4 литров воды на 1 килограмм алюминия.
- Восстановить алюминий и магний из продуктов реакции можно только на заводе, что сильно сужает рынок применения решения, усложняет логистику и делает экономику неэффективной.
2023 Идея
Проект зародился летом 2023 года на волне отказа от двигателей внутреннего сгорания в пользу электромобилей. В то время основным блокирующим фактором развития рынка было существенное время заряда электромобилей. Решение искали сокращением времени заряда Li-Ion батарей или механической их заменой.
Тогда автору изобретения пришла идея представить активное вещество батареи в виде гранул небольшого размера, которые можно засыпать в батарею в заряженном виде и высыпать, когда они разрядятся.
В то время автор был далек от электрохимии и начал искать единомышленников. Так автор познакомился с научным сотрудником в исследовательском институте в Барселоне (Испания), у которого была собственная лаборатория для проведения экспериментов.
Проект зародился летом 2023 года на волне отказа от двигателей внутреннего сгорания в пользу электромобилей. В то время основным блокирующим фактором развития рынка было существенное время заряда электромобилей. Решение искали сокращением времени заряда Li-Ion батарей или механической их заменой.
Тогда автору изобретения пришла идея представить активное вещество батареи в виде гранул небольшого размера, которые можно засыпать в батарею в заряженном виде и высыпать, когда они разрядятся.
В то время автор был далек от электрохимии и начал искать единомышленников. Так автор познакомился с научным сотрудником в исследовательском институте в Барселоне (Испания), у которого была собственная лаборатория для проведения экспериментов.
Подробно ознакомившись с идеей и чертежами ученый охотно согласился поучаствовать в стартапе. Первая задача, которая стояла перед командой - подобрать химические компоненты на которых можно реализовать идею. Чтобы упростить решение и не возиться с двумя видами гранул (под анод и катод) в качестве окислителя было предложено применять воздушный катод. Также у решения было ограничение в наличии жидкого электролита, в качестве которого рассматривался соленый и щелочной электролиты. От кислотного электролита отказались сразу по соображениям безопасности и экологичности.
Весь 2023 год был посвящен поиску наилучших химических компонентов для анода. Т.к. была выбрана металл-воздушная реализация, осуществлялся поиск наиболее подходящего металла или сплава. Наиболее перспективной в тот момент казалась металлогидридная основа, но эксперименты на лантан-никелевых сплавах показали несовместимость решения с воздушными катодами. Кроме того, данные сплавы состояли из редкоземельных металлов и были дорогими.
Далее была проведена серия экспериментов на алюминиевых, магниевых, цинковых и железных гранулах. Наилучшие результаты показало решение на алюминий-воздушной основе. Однако достигнутые показатели по мощности в 7 мА/см2 при напряжении 1,28 В оставляли желать лучшего.
Весь 2023 год был посвящен поиску наилучших химических компонентов для анода. Т.к. была выбрана металл-воздушная реализация, осуществлялся поиск наиболее подходящего металла или сплава. Наиболее перспективной в тот момент казалась металлогидридная основа, но эксперименты на лантан-никелевых сплавах показали несовместимость решения с воздушными катодами. Кроме того, данные сплавы состояли из редкоземельных металлов и были дорогими.
Далее была проведена серия экспериментов на алюминиевых, магниевых, цинковых и железных гранулах. Наилучшие результаты показало решение на алюминий-воздушной основе. Однако достигнутые показатели по мощности в 7 мА/см2 при напряжении 1,28 В оставляли желать лучшего.
