Физика-техникалық институт (ФТИ) – қатты дене физикасы, ядролық физика және қазіргі заманғы технологиялар саласында іргелі және қолданбалы әзірлемелермен айналысатын Қазақстанның негізгі ғылыми-зерттеу орталықтарының бірі. 1990 жылы Қазақ КСР Министрлер Кеңесінің қаулысымен құрылған ол «ҚазҰТЗУ» Ұлттық зерттеу университетінің құрамына кіріп, трансформацияның маңызды жолынан өтті.

Бүгінгі таңда ФТИ ғылымның перспективалы бағыттары бойынша жұмыс істейтін тоғыз жоғары технологиялық зертхананы біріктіреді:

• инновациялық функционалды материалдарды зерттеу,
• фотоэлектрлік құбылыстарды зерттеу,
• гетеро-өтпелі күн элементтерін әзірлеу,
• радиациялық экология,
• жоғары энергия және ғарыштық сәулелер физикасы және тағы басқалар.

Физика-техникалық институт жаңартылатын энергия көздері саласындағы зерттеулер мен технологияларды енгізуді белсенді дамытуда. 10 жылдан астам жұмысының негізгі бағыттарының бірі гетеро-өтпелі күн элементтерін әзірлеу және жетілдіру болып қала береді.

Гетеро-өтпелі күн элементтері – гетероқұрылымдардан жасалған инновациялық фотоэлементтер – әр түрлі жартылай өткізгіштерден тұратын бірегей көп қабатты материалдар. Бұл материалдардың әрқайсысы арнайы электрфизикалық және оптикалық қасиеттерге ие, бұл фотоэлементтің ішінде күн модульдерінің тиімділігі мен өнімділігіне тікелей әсер ететін электр өрістерін құруға мүмкіндік береді.

Институттың дамуындағы маңызды кезең фотоэлектрлік модульдерді өндіру бойынша тәжірибелік-өнеркәсіптік цехтың ашылуы болды, бұл ғылыми әзірлемелерді жаңа деңгейге – зертханалық зерттеулерден өнеркәсіптік қолдануға ауыстыруға мүмкіндік берді. KZ СТ сертификатын алу өнімнің жоғары ұлттық стандарттарға сәйкестігін растады және Қазақстанда күн энергетикасын дамытудағы маңызды қадам болды.

Физика-техникалық институт қазақстандық ғалымдардың жаңартылатын энергетиканы дамытуға қосқан үлесін мақтан тұтады. Осы саладағы зерттеулерге жетекші мамандар, соның ішінде физика-математика ғылымдарының докторы С.Ж.Токмолдин, PhD Н.А. Чучвага, PhD Н.С. Токмолдин, В.В. Клименов, И.С. Невержицкий, PhD К.П. Аймағанбетов, К.С. Жолдыбаев, С.Р. Жантуаров, PhD А.К. Шонгалова және басқалар елеулі үлес қосты.

Бүгінде институттың негізгі зерттеу бағыттарының бірі перовскит күн элементтері болды. Бұл инновациялық фотоэлементтер жоғары тиімділік пен өндіріс қолжетімділігінің үйлесімі арқасында әлемдік ғылыми қоғамдастықтың назарын аударды. Дәстүрлі кремний күн батареяларынан айырмашылығы, перовскитті фотоэлементтер органикалық қосылыстарды қолдану арқылы жасалады, бұл оларды өндіруді арзанырақ етеді.

Алайда, бұл технологияның алдында үлкен қиындықтар тұр. Негізгі проблема – тез тозу. Егер классикалық кремний күн панельдері 25 жыл ішінде қуатының шамамен 10%-ын жоғалтса, онда перовскитті аналогтары тәулігіне 80%-ға дейін жоғалтуы мүмкін. Бұл кемшілікті жою қазіргі заманғы зерттеулердің маңызды бағыттарының бірі болып табылады және қиындықтарға қарамастан, ғалымдар перовскит күн элементтерінің болашағы зор екеніне сенімді.

 Сондай-ақ, ФТИ Қазақстанның топырағынан кремний өндіру және тазарту технологиясымен жұмыс істеуде. Бұл тақырыпты дамытуға академик, доктор физика-математика ғылымдарының докторы  Б.Н. Мұқашев, Г.Н.Чумиков, С.Н.Тараканова, Н.М. Кислякова, Ю.А. Таракнов, С.С. Базарбаев, физика-математика ғылымдарының кандидаты А.С. Серікқанов және басқалар уақыты пен жанын, тәжірибесі мен білімін арнады. Соңғы жылдардағы әзірлемелердің бірі – қождан электронды сападағы кремний алу. Жоба аясында жүргізілген зерттеу нәтижелері бойынша күн энергиясы үшін жоғары таза кремний өндіру әдісін әзірлеуге мүмкіндік беретін кремний алудың және тазартудың тиімді технологиясы әзірленді. Бұл әдіс процестің төмен құнын қамтамасыз етеді және тұрақты технологияның заманауи талаптарына сәйкес экологиялық таза болады. Кремний алу процесінде алынған қожды жоғары маркалы қож-сілтілі цемент алу үшін пайдалануға болады.

Арзан кремний өндірудің зертханалық технологиясы дәстүрлі тазалау әдістеріне қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие. Кремнийдің жоғары тазалығына қол жеткізу үшін кезең азырақ қажет, бұл тазалау процесін айтарлықтай жылдамдатады. Уақытты қысқартудан басқа, бұл технология ресурстарды оңтайландыру арқылы өзіндік құнның төмендеуін қамтамасыз етеді. Маңызды аспект оның экологиялық қауіпсіздігі болып табылады, бұл процесті таза етеді және қоршаған ортаға әсерін азайтады. Нәтижесінде, бұл күн сапасындағы кремнийді минималды шығындармен және табиғатқа әсерсіз алуға мүмкіндік береді.

Сондай-ақ, Физика-техникалық институттың перспективалық бағыттарының бірі энергия сақтау саласындағы жұмыс болып табылады. Перспективалы тақырыптардың бірі – «redox» ағынды ванадий энергия жинақтағыштары. Осы тақырып бойынша жобалардың жетекшісі А.Г. Өмірзақов болып табылады.

Бұл – терең зарядтауға және зарядсыздандыруға қабілетті экологиялық таза, сыйымдылығы жоғары аккумулятор. Ол энергияны сақтау үшін әр түрлі тотығу күйлеріндегі ванадий иондарының әр алуан химиялық әлеуетті энергиясын пайдаланады және заряд пен разрядтың жоғары тиімділігіне ие. Жоғары қауіпсіздік артықшылығы – сыйымдылықты сұйықтық сақтайтын резервуардың ұлғаюымен арттыруға болады, ал электролитті қайта пайдалануға болады.

Оң және теріс батарея электролиттері ретінде V(Ⅱ)/V(Ⅲ) және V(Ⅳ)/V(Ⅴ) ванадий иондарының ерітінділерін пайдаланған кезде, стандартты батарея әлеуетінің айырмашылығы 1,26 В шамасына жетуі мүмкін, бұл ванадийді энергияны сақтау материалы ретінде пайдалануға мүмкіндік береді (1-сурет).

Артықшылығы

•         Өрт қауіпсіз

Ванадий редокс-батареясының белсенді материалы сулы ерітінді түрінде сұйықтықты сақтау үшін бөлек резервуарларда сақталады. Жарылыс немесе өрт қаупі жоқ. Оң және теріс электролиттерді араластыру кезінде де қауіп жоқ. Жарылмайтын батарея – бұл басқа электрхимиялық батареялармен салыстырғанда ВРБ ең маңызды артықшылығы.

•         Ұзақ қызмет ету мерзімі

Оң белсенді материал және теріс белсенді ВРБ материалы сәйкесінше оң және теріс электролиттерде болады. Зарядтау және разрядтау процесінде фазалар өзгермейді. Батареяны зақымдамай терең зарядсыздандыруға болады.

Батареяның өмірлік циклі 20 жылға жетуі мүмкін. Қазіргі уақытта канадалық ВРБ компаниясының электр желісінің коммерциялық демонстрациясындағы ең ұзақ жұмыс уақыты бар ВРБ модулі 9 жылдан астам уақыт бойы қалыпты жұмыс істеп келеді, заряд және разряд циклінің қызмет ету мерзімі 18 000 еседен астам, бұл литий және қорғасын-қышқылды аккумуляторларға қарағанда айтарлықтай жоғары.

•         Ауқымды энергияны сақтауды жүзеге асыру оңай

Ванадий редокс-батареясының қуаты мен сыйымдылығы сәйкесінше стек өлшеміне, электролит көлеміне және концентрациясына байланысты. Электролит концентрациясының жоғарылауы қуатты арттыруға мүмкіндік береді, ал электролит көлемінің ұлғаюы қуатты екі есе арттырады. Сондықтан ванадий редокс-батареяларын жүздеген мегаватт энергияны сақтау үшін кең ауқымды электр станцияларында пайдалануға болады.

Кемшіліктері

•         Төмен энергия тығыздығы

Ванадийдің салыстырмалы түрде үлкен атомдық массасына байланысты ванадий редокс-батареясының энергия тығыздығы әдетте 12-ден 40 Вт/кг-ға дейін құрайды, бұл литий батареясының энергия тығыздығынан 80-ден 300 Вт/кг-ға дейін төмен.

Сондықтан бірдей қуат қорына қол жеткізу үшін ванадий редокс-батареясының энергия тығыздығы литий батареяларына қарағанда әлдеқайда көп, атап айтқанда 3-5 есе, бұл ванадий редокс-батареяларын мобильді терминалдар мен күш батареяларында қолдануды айтарлықтай қиындатады.

•         Энергияны түрлендірудің төмен тиімділігі

ВРБ-да электролит ағынын ұстап тұру үшін сорғы қажет, сондықтан ондағы энергия шығыны жоғары. Ванадий-қызыл батареялардың энергия түрлендіру тиімділігі әдетте 70%-дан 75%-ға дейін құрайды, бұл литий батареяларының энергия түрлендіру тиімділігінен 85%-дан 95%-ға дейін төмен.

•         Қондырғының жоғары бастапқы құны

Ванадий редокс-батареясын орнатудың бастапқы құны негізінен стек пен электролиттен тұрады. Шикізат материалдары салыстырмалы түрде қымбат. Бұған қоса, ванадий редокс-аккумулятор өнеркәсібінің дамуы салыстырмалы түрде баяу және өнеркәсіптік тізбек жетілмеген. Қазіргі уақытта қондырғының бастапқы құны сағатына 252-ден 400 теңгеге дейін құрайды. Литий батареяларымен салыстырғанда, бұл батареяның бастапқы құнынан 2 есе көп, бірақ ұзақ мерзімді жұмыс кезінде бұл көрсеткіш өтеледі.

ВРБ және басқа негізгі батареяларды салыстыру

Ванадий редокс-батареялары литий, қорғасын-қышқылды және т.б. батареялармен салыстырғанда қызмет ету мерзімі, қауіпсіздігі және өмірлік цикл құны бойынша үлкен артықшылықтарға ие, бірақ олар энергия тығыздығы, энергия тиімділігі және т.б. тұрғысынан салыстырмалы түрде қолайсыз.

Ванадий редокс-батареясының жұмыс қағидаты литий батареясының жұмыс қағидатынан өзгеше.

Ванадий тотығу-тотықсыздану батареясында екі электролит бар, біреуі оң үшін, екіншісі теріс электрод үшін. Ток ванадий иондарының валенттілік күйін жоғарылату және төмендету арқылы қалыптасады, ал литий батареясында ток негізінен иондарды тасымалдау арқылы қалыптасады.

Ванадий тотықсыздандырғыш батареясының электролиті оң және теріс электродтардың арнайы резервуарларында сақталады, электролиттер сорғының әсерінен оң және теріс стек электродтарына ауысады. Бұл конструкция ВРБ сыйымдылығын реттеуге мүмкіндік береді. Электролиттер бөлек сақталады, реакцияға түспейді, бұл жоғары қауіпсіздікті көрсетеді. Литий батареялары осыған байланысты РВБ-ден айтарлықтай төмен.

Пайдалану циклі бойынша ВРБ 15000 есеге дейін зарядтауға және зарядсыздандыруға болады, ал литий батареяларын шамамен 3000 рет зарядтауға болады, бұл литий батареясына қарағанда 5 есе көп.

Сонымен қатар, ВРБ табиғи сұйықтықты салқындату жүйесіне ие. Жұмыс кезінде оң және теріс электролиттер химиялық реакцияларға түсіп қана қоймай, сонымен қатар батареяны қалыпты қыздыру күйінде ұстай отырып, стек шығаратын жылуды кетіреді. Литий батареялары ұзақ зарядтау кезінде салыстырмалы түрде төмен тұрақтылыққа ие, нәтижесінде жылу пайда болады және тұтану ықтималдығы артады.

Ағынды аккумулятордың зертханалық үлгісінің жұмысын сынау

Жинақтағы ванадий энергия жинақтағышы (ФТИ ЖШС)

ФТИ пайымы институттың жетекші ғылыми және инновациялық ұйым ретінде тұрақты дамуы мен бәсекеге қабілеттілігін қамтамасыз етуден; жоғары импакт-факторы бар шетелдік басылымдардағы жарияланымдардың саны мен сапасын арттыру негізінде әлемдік қоғамдастыққа интеграциялаудан тұрады.

ФТИ миссиясы қатты дене және жартылай өткізгіштер физикасы, баламалы энергетика, материалтану, наноғылым, жоғары энергия және ғарыштық сәулелер физикасы саласында кең ауқымды іргелі және қолданбалы зерттеулер жүргізу; осы негізде жаңа үлгілер мен технологияларды әзірлеу, оларды кейіннен Қазақстан Республикасының әлеуметтік-экономикалық дамуы мүддесінде ғылыми зерттеулер мен өндіріске енгізу болып табылады.

Институттың мемлекеттік гранттарды іске асыруға қатысуы, сондай-ақ ҒЗЖ/ҒЗТКЖ тақырыптары бойынша ғылыми-технологиялық бағдарламаларды іске асыру бөлігінде сыртқы жобаларды тарту есебінен ғылыми жобалар портфелін ұлғайту.