Эстонские учёные могут стать «Европейским изобретателем года»

Как сообщило Европейское патентное ведомство (EPO), представители Эстонии номинированы на премию «Европейский изобретатель года» за разработку исключительного углеродного материала для суперконденсаторов, способствующих переходу с ископаемого топлива на экологичную энергию.

Выдающимся изобретением эстонского трио стал материал под названием изогнутый графен, который увеличивает мощность поглощения, хранения, выходную мощность и плотность энергии накапливающих и отдающих энергию устройств — суперконденсаторов. Они используются в ситуациях, когда требуется много быстрых циклов зарядки и разрядки, например, при ускорении и торможении электромобилей. Суперконденсаторы с изогнутым графеном полностью заряжаются всего за 15 секунд, выдерживают более миллиона циклов зарядки и не содержат экологически опасных материалов.

Для вывода изобретения на рынок в Эстонии была создана компания по производству суперконденсаторов Skeleton Technologies, в число учредителей которой вошли Лейс и Перксон. В 2018 году Skeleton Technologies приступила к испытаниям трамваев с суперконденсаторным двигателем в Мангейме, Гейдельберге и Людвигсхафене (Германия). Накапливая энергию торможения и высвобождая её при ускорении, суперконденсаторы позволяют сэкономить, по данным компании, до 30% электроэнергии.

«Технология, разработанная эстонскими учёными, должна помочь нам отказаться от ископаемого топлива, повысив эффективность альтернативных источников энергии, — сказал Антониу Кампинос, президент Европейского патентного ведомства, объявляя финалистов. — Их успех основан на двадцати годах последовательных прорывов и показывает, как непрерывное инвестирование в инновации может стимулировать целую отрасль, например, хранение энергии».

«Мы всегда считали, что наша работа в лаборатории должна приносить реальную пользу, — отметил Яан Лейс. — Этот подход очень отличается от научных статей, где всегда обнаруживается что-то новое, но можно ли применить это в реальной жизни?»

Эстонские изобретатели — одна из трёх команд-финалистов в номинации «Индустриальная награда». Эта категория отмечает выдающихся изобретателей экономически успешных технологий, запатентованных европейскими компаниями со штатом более 250 сотрудников и годовым оборотом более 50 миллионов евро. Лауреаты премии EPO «Европейский изобретатель» 2022 года будут объявлены на виртуальной церемонии 21 июня. Кроме того, из числа 13 финалистов будет выбран фаворит публики, за которого можно будет проголосовать на сайте Европейского патентного ведомства перед официальной церемонией. Голосование будет открыто до 21 июня 2022 года.

Яан Лейс получил докторскую степень по теоретической и компьютерной химии в Тартуском университете. В 1999 году он приступил к работе химиком-технологом в частной организации-разработчике Tartu Tehnoloogiad, продолжая работать научным сотрудником в университете. Лейс является соучредителем компании Skeleton Technologies, основанной в 2009 году. С 2021 года он также является адъюнкт-профессором молекулярных технологий в Тартуском университете, продолжая работать в Skeleton Technologies в качестве консультанта.

Мати Арулепп имеет докторскую степень Тартуского университета в области физической химии и электрохимии. Трудовую деятельность начал в 1998 году в качестве научного сотрудника в организации-разработчике Tartu Tehnoloogiad, где он работал и во время докторантуры. Затем Арулепп работал в Carbon Nanotech. В 2010 году он присоединился к Лейсу и Перксону в качестве ведущего научного сотрудника Skeleton Technologies. С 2016 года является в компании техническим экспертом по суперконденсаторам.

Анти Перксон получил докторскую степень по химической физике в Тартуском университете. В 1998 году начал работать научным сотрудником в организации-разработчике Tartu Tehnoloogiad. В 2009 году вместе с Лейсом и другими основал Skeleton Technologies. В 2013 году он стал технологическим директором компании, а с 2016 года является её консультантом по материаловедению.

Премия «Европейский изобретатель» — одна из самых престижных наград в области инноваций в Европе. Учреждённая в 2006 году Европейским патентным ведомством премия присуждается за решение отдельными лицами и командами крупнейших проблем нашего времени. Финалисты и лауреаты будут выбраны независимым жюри, состоящим из бывших финалистов премии, которые проанализируют полученные работы, их содействие техническому прогрессу, социальному и устойчивому развитию и экономическому благополучию.

Батареи и суперконденсаторы

И суперконденсаторы, и батареи снабжают машины электричеством, однако делают это разными, взаимодополняющими способами. Работа батарей основана на химической реакции, и они передают энергию непрерывно, что лучше всего подходит для продолжительных регулярных задач. Суперконденсаторы хранят энергию в виде электрического поля и подходят для кратковременной подачи больших количеств энергии туда, где срочно необходима энергия. Поэтому они считаются особенно подходящими для электромобилей. Срок службы суперконденсатора — около одного миллиона зарядов, а батареи — лишь от 2000 до 3000. Батареи могут содержать вещества, опасные для окружающей среды, а суперконденсаторы их не содержат.

Оптимизированный изогнутый графен Лейса, Арулеппа и Перксона обеспечивает суперконденсаторам компании исключительную плотность энергии и улучшенную электропроводность.

Оптимизированный командой эстонских учёных изогнутый графен, всё производство которого сосредоточено в Европе, имеет высокую химическую чистоту и не содержит токсичных веществ, обычно встречающихся в других аккумуляторных и конденсаторных технологиях, таких как литий или кобальт. Это обеспечивает надёжность и снижает воздействие суперконденсаторов компании на окружающую среду.

История изобретения

В конце 1990-х годов, когда Лейс, Арулепп и Перксон работали в исследовательском учреждении Tartu Tehnoloogiad, они начали задумываться о том, как можно усовершенствовать углерод и графен, чтобы повысить энергоэффективность конденсаторов. В то время в суперконденсаторной технологии использовался углеродный материал, чаще всего трикотажная углеродная ткань. Однако из-за ажурной структуры плотность энергии этого материала была низкой, в результате чего он был энергетически неэффективным.

Трое учёных хотели сделать специальный углеродный материал с большей плотностью энергии. Они начали экспериментировать с карбидом (соединение углерода и металла) и углеродными порошками, используя различные методы, чтобы увидеть, можно ли повысить плотность энергии, однородность и чистоту. Каждое очередное усовершенствование документировалось в патентных заявках, первая из которых была подана ещё в 2001 году.

Они также исследовали способы такой обработки графена (один слой атомов углерода), чтобы поры в нём были одного размера. Это сделало бы его эффективным материалом для электродов, с улучшенной совместимостью ионов электролита с порами материала. Всё это привело их к оптимизации изогнутого графена, используемого в электродах их суперконденсаторов. Изогнутый графен формой напоминает измятый лист бумаги, что придаёт электроду большую поверхность и, соответственно, более высокую плотность энергии при передаче.

Команда упомянута в европейских патентах EP2616564B1 (выдан в 2017 году), EP2978003B1 (выдан в 2017 году) и EP2633532B1 (выдан в 2015 году).

В 2009 году Лейс и Перксон вместе с партнерами учредили Skeleton Technologies, чтобы продвигать на рынке свои исследования и продолжать совершенствовать технологию изогнутого графена.

Применение изобретения в реальной жизни

Skeleton Technologies видит и другие возможности применения технологии изогнутого графена, особенно на растущем рынке электромобилей. Теперь они применяют свои знания о суперконденсаторах при разработке гибридной системы, включающей конденсатор и аккумулятор, которая сочетает в себе обычные литий-ионные элементы и элементы изобретённых компанией суперконденсаторов.

В компании работает около 240 сотрудников. Производство размещено в немецком городе Гросрёрсдорфе, продажи — в Берлине, а исследования, разработки и пилотное производство ведутся в Таллинне. На сегодня компания имеет коммерческие контракты на сумму 1,3 миллиарда евро и планирует расширять свои мощности, чтобы производить на полностью автоматизированной производственной линии 12 миллионов единиц в год.