Нанотехнологии. Правда и вымысел

Для успешного решения поставленных задач необходимо разработать новые методы синтеза металлических нанокластеров строго определенного размера, формы и внутреннего строения (архитектуры) на основаниях с нанесенными наночастицами оксидов металлов. Например, применение наночастиц рутения, осажденных на графитовую подложку, для производства азота позволяет значительно снизить затраты по сравнению с применяемыми в настоящее время промышленными катализаторами. Следует отметить, что на выполнение данного технологического процесса (одного из самых энергозатратных в современной промышленности) затрачивается около 1 % всего мирового потребления электроэнергии.

Распределение и хранение энергии

В сфере распределения, передачи, аккумулирования и хранения энергии наиболее перспективными возможностями применения наноматериалов и нанотехнологии являются высокоэффективные проводящие системы (провода, трансформаторы и другие устройства), а также перезаряжаемые аккумуляторы и суперконденсаторы.

Значительные потери электроэнергии происходят в процессе передачи их от производителя к потребителю. При огромных расстояниях, характерных для нашей страны, проблема качества токопроводящих материалов (кабелей и проводов) и соответствующего приборного обеспечения наиболее актуальна.

Одной из задач нанотехнологий является разработка наноструктурных электротехнических проводов нового класса для различных линий электропередач со сверхвысокой прочностью (на уровне стали 1200–1500 МПа) и электропроводностью (на уровне 60–75 % от электропроводности высокочистой меди) с нанометрическим уровнем дисперсности микроструктуры.

К таким разработкам следует отнести нанокомпозиционные электрические провода с высокой прочностью и электропроводностью, состоящие из наноструктурных волокон серебра, распределенных в матрице меди, а также сверхпрочные высокопроводящие кабели на основе интерметаллидов.

Немаловажная задача – разработка и производство специальных проводящих материалов для радиоэлектронной техники и будущих нанометрических устройств. К таким разработкам относятся:

• нанопроволока на основе оксида индия;

• ультратонкие провода на основе наночастиц золота;

• наноструктурные композиционные сверхпроводники NbTi с низкими энергетическими потерями в быстроменяющих-ся магнитных полях для магнитных систем синхротронов SIS-100 и SIS-300 международного проекта FAIR;

• термопарная проволока для высокочувствительных измерений температуры на основе наноструктурированного сплава никеля и другие разработки.

При разработке новых конструкций аккумуляторных батарей и суперконденсаторов ожидается, что наноматериалы окажут решающее значение при решении следующих основных задач.

1. Увеличение плотности энергии и мощности, в том числе для классических батарей.

2. Улучшение показателей продолжительности и эффективности цикла зарядки батарей.

3. Повышение общего срока службы (циклов «заряд-разрядка»).

4. Снижение токсичности применяемых материалов (в том числе возможных перспективных наноматериалов будущих элементов).

5. Снижение взрывоопасности и пожароопасности (так как, например, наночастицы гидридов металла обладают высокой опасностью воспламенения).

Нанокристаллические композитные материалы и нанотрубки планируется использовать для восстановления нормы графита в литиево-графитных электродах. Обеспечивая наноразмерной структурой значительную площадь рабочей поверхности, они смогут привести к увеличению плотности энергии, мощности и улучшению других показателей аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Наиболее перспективными нанотехнологическими разработками в этой области являются наноструктурированные аноды и катоды из наноматериалов, которые прочнее и до 100 раз мощнее традиционных изделий. Нанокерамические сепараторы и полимерные электролиты могут помочь увеличить мощность и надежность и выдержать до 500 циклов «заряд-разрядка» до полного истощения.

Использование нанокристаллических материалов и углеродных нанотрубок в качестве материалов для электродов в перезаряжаемых аккумуляторах (например, литиевых батареях) привело не только к уменьшению их размеров, но и к значительному увеличению плотности энергии и мощности, срока службы и количества циклов «заряд-разрядка».

Аналогичные результаты могут быть получены при применении нанопористых материалов для изготовления электродов разрабатываемых в настоящее время суперконденсаторов.

Развитие нанотехнологий позволит открыть новые потенциальные рынки для аккумуляторов и суперконденсаторов или их сочетания в наноэлектромеханических системах (роботах), мобильных телефонах, ноутбуках и т. д.

Сбережение энергии