Если я заменю батарейки: От телефона до электромобиля
При получении материала для новых электродов ученые использовали метод послойного производства, при котором служащий основой материал поочередно погружается в растворы, содержащие углеродные нанотрубки, предварительно обработанные простыми органическими соединениями, сообщающими им положительный либо отрицательный результирующий заряд. При чередовании этих слоев, они прочно связываются между собой благодаря дополнительному заряду, создавая прочную и стабильную пленку.
Источники питания, подобные широко используемым в портативной электронике литий-ионным аккумуляторам, состоят из трех основных элементов: анода, катода и разделяющего их электролита, через который могут легко перемещаться заряженные частицы. Во время работы батареи положительные ионы лития движутся через электролит к катоду, создавая электрический ток. Когда аккумулятор заряжается, ток во внешней цепи побуждает эти ионы возвращаться на анод.
Электрод, состоящий из углеродных нанотрубок, имеет пористую структуру, которая способна «принимать» большее количество ионов благодаря своей развитой поверхности. Немалую роль в формировании подобной пористой структуры играет метод «электростатической самосборки». Он позволяет упорядочить нанотрубки, которые при обычных способах нанесения собираются в «пучки» и создают поверхности с гораздо меньшей площадью, открытой для протекания реакций.
Новый материал продемонстрировал свои преимущества при изготовлении как конденсаторов, способных выдавать большой заряд короткими «порциями», так и литий-ионных батарей, обеспечивающих относительно небольшую мощность в течение длительного промежутка времени. Удельная емкость таких конденсаторов в пять раз превышала обычную, а энергетическая плотность аккумуляторов возросла в 10 раз. Такой рекордный результат можно отнести на счет хорошей проводимости электрода из нового материала и эффективного хранения лития на развитой поверхности нанотрубок.
Кроме высокой выходной мощности, электроды из углеродных нанотрубок продемонстрировали хорошую стабильность: после 1000 циклов зарядки и разрядки аккумулятора не было обнаружено никаких изменений в его работе.
Созданные группой исследователей электроды имели толщину всего несколько микрон, а существенно улучшение характеристик аккумулятора достигалось только при высоких уровнях выходной мощности. В дальнейшем разработчики планируют достичь повышения производительности при более низких уровнях отдачи энергии и создать более толстые электроды. В существующем исполнении материал мог бы пригодиться для использования в портативных электронных устройствах, но если удастся добиться подобных результатов с электродами толщиной в несколько сотен микрон, в конечном итоге такие аккумуляторы могли бы послужить для более крупных потребителей энергии — например, гибридных автомобилей.
Хотя в данный момент углеродные нанотрубки выпускаются в ограниченном количестве, ряд компаний готовится начать их промышленное производство. Таким образом, создается возможность для крупномасштабного производства аккумуляторов с использованием новых материалов. И если предлагаемая технология выйдет из лаборатории на конвейер, она сможет дать начало новому поколению аккумуляторов.
Конечно, нанотрубки сейчас в ближайшем магазине не купишь. Чего нельзя сказать про сок или газировку. А именно они нужны, чтобы заработали «жидкие батарейки» автомобильчика Sony. Читайте об этом — «Покорми игрушку: И питье, и горючее».
По сообщению MIT News