Ведущая фирма-изготовитель изделий из бумажной массы «Ниппон Пейпер» добилась больших успехов в разработке батареи из древесной массы, пролив свет на будущее, в котором использование дронов, смартфонов и электромобилей не приведет к истощению запасов редкоземельных металлов.
Начало эксперимента
В последнем своем эксперименте, его лампочке с аккумулятором из пульпы удалось проработать около 7 секунд, но японская компания предполагает, что ей удастся увеличить емкость батареи до такой степени, что она станет способной питать дроны в 2023 финансовом году, а затем и смартфоны, а также другие устройства уже в 2030 году.
Со временем «Ниппон Пейпер» хочет начать ставить аккумуляторы в автомобили.
В случае успеха, эта инновация от японского производителя станет важной вехой, а именно технологией, которая поможет странам преодолеть свою зависимость от редкоземельных металлов, которые позволяют сегодняшним батареям приводить в движение нашу жизнь.
В конце ноября-месяца в лаборатории инновационных материалов «Фудзи Ниппон Пейпер», расположенной в префектуре Сидзуока, состоялся эксперимент, заключающийся в том, чтобы небольшая лампочка стала излучать сильный свет при подключении к ней проводов от аккумулятора из древесной массы. И, хотя свет ее длился всего 3 секунды, прежде чем начал исчезать, начальник лаборатории Фуминари Нономура назвал это событие — революционным моментом.
Эта батарея была изготовлена из целлюлозных нановолокон диаметром 3 нм. Нановолокна, получаемые из древесной пульпы, перерабатываются в тонкие пленки, которые разделяются альфолем, служащим электродом.
Нановолокна могут аккумулировать и высвобождать электроэнергию, потому что электроны пристают к неровностям и скатам на ее поверхности, как и в случае с металлическим аккумулятором. В отличие от сегодняшних литий-ионных батарей, такой аккумулятор не испортится даже после миллионов электростатических зарядов и разрядов. Эта особенность была выявлена в марте-месяце исследователями лаборатории, в которой компания «Ниппон Пейпер» работает совместно с Микио Фукухарой, научным сотрудником из «Университета Тохоку», и другими специалистами.
Батарея была сделана из целлюлозных нановолокон площадью 20 см2, толщиной 0.05 мм. Она весила всего 0.15г. Пока 3-вольтовая светодиодная лампочка на 0.025А горела в течение 7 секунд, удельная энергоемкость аккумулятора составляла около 1 Вт-ч на кг. По итогам предыдущего эксперимента, ученые из «Фудзи Ниппон Пейпер» сообщили, что им удалось увеличить плотность потока энергии до 10 Вт-ч. В обоих же экспериментах, батарея показала, что способна достичь мощи, эквивалентной 1/200 и 1/20 литиево-ионных аккумуляторов.
В течение 2022 финансового года, японский производитель намерен разработать оптимальную форму и лучший метод переработки целлюлозных нановолокон в тонкую пленку. Компания собирается выпустить опытный образец аккумулятора для питания небольших роботов, применяющихся в помещениях, в 2023 году, начав их продавать в глобальных масштабах после демонстрации технологии на выставке Expo 2025 в Осаке. В 2030 году, «Ниппон Пейпер» собирается приступить к практическому использованию батареи в смартфонах и крохотной электронике для бытовых применений.
В конечном итоге, японское предприятие вознамерилось начать устанавливать в электромобили силовые агрегаты из целлюлозы вместо литий-ионных батарей, что должно будет дать передышку весьма востребованным запасам кобальта, лития и никеля на Земле. Цены на редкоземельные металлы неуклонно растут по мере увеличения спроса на электромобили.
Значимая альтернатива
Цены на литий за последний год выросли более чем в 2 раза, остановившись на отметке около 30 USD за килограмм. Стоимость кобальта также выросла вдвое — до 60 000 USD за тонну.
На Демократическую Республику Конго приходится примерно 70% мирового производства кобальта, в то время как более 20% никеля производится в «Поднебесной». По мере роста использования электромобилей, становится абсолютно необходимым сократить потребление редкоземельных металлов, применение которых создает экономические проблемы и проблемы в области безопасности.
Источником для батарей «Ниппон Пейпер» могут быть леса, занимающие 2/3 Японии, восполнить которые легко можно при помощи создания лесонасаждений.
Основной нерешенной задачей компании сейчас является ее желание резко увеличить емкость аккумулятора, до того, как сделать их способными питать электромобили. Конденсаторы не смогли взять на себя эту роль, потому что их емкость меньше вместимости литий-ионных батарей. Японский производитель стремится увеличить емкость своих аккумуляторов, укладывая пленки целлюлозных нановолокон друг на друга.
Компании «Ниппон Пейпер» также необходимо разработать технологию переработки нановолокон в листы одинаковой толщины, чтобы помешать их возгоранию. Ей также следует объединить усилия с фирмами-изготовителями аккумуляторов и оборудования для разработки таких технологий.
Автобусы, трамваи и поезда, использующие конденсаторы в качестве единственного источника энергии, уже функционируют в «Поднебесной» и Франции. Транспортными компаниями установлено большое количество зарядных станций для того, чтобы компенсировать аккумулирование энергии небольшими конденсаторами, а также воспользоваться их возможностями ускоренной зарядки.
Между тем, корпорация «Тесла» купила предприятие «Максвелл Технолоджис» в 2019 году для того, чтобы заполучить доступ к передовой технологии изготовления конденсаторов калифорнийской компании после того, как ее глава Илон Маск заявил, что в будущем электромобили будут питаться именно от таких энергоаккумулирующих устройств.
В настоящее время, целлюлозные нановолокна используются, в основном, в качестве добавок в закусках и таких повседневных продуктах, как например, шампуни. В будущем, их применение должно будет резко возрасти, если они станут ключевым материалом, лежащим в основе изготовления батарей.
Компания «Ниппон Пейпер» намеревается получить 1.3 трлн. иен консолидированных продаж в 2021 финансовом году, включая 65 млрд. иен за счет реализации целлюлозных нановолокон и других новых материалов. Это на 29% больше показателя за 2020 финансовый год.
«Исследования новых материалов в ближайшее время не должны стать новым источником прибыли японского производителя», — считают аналитики. «Однако, как производитель бумаги, «Ниппон Пейпер» откроет путь бумажным электронным устройствам, которые могут поспособствовать декарбонизации», — говорит Фукухара.
