Сенсация! Ученые разработали вечные батареи для ноутбуков
Резкий скачок в эффективности литиевых аккумуляторов обещает обеспечить новое достижение нанотехнологов, утверждающих, что тонкие нитевидные кристаллы кремния, называемые в научной литературе вискерами («усиками» – от английского whiskers), могут десятикратно увеличить емкость батарей.
Новая технология позволит ноутбукам работать в течение нескольких дней, а электромобилям – преодолевать расстояния в сотни километров без перезарядки.
Новшество заключается в увеличении заряда, который может нести на себе положительно заряженный электрод батареи, называемый анодом.
Процесс зарядки батареи можно представить следующим образом: катион Li+ получает один электрон из внешней цепи и перемещается к анодному пространству. Анодом, как правило, служит литиевая фольга.
В процессе эксплуатации аккумулятора происходит обратный процесс: ионы лития отдают свои электроны во внешнюю цепь, которая может питать компьютер, двигатель авто или что-то еще, и мигрируют к катодному пространству через мембрану ионного проводника, часто называемого твердым электролитом. Катоды современных литиевых батарей выполняются из слоистых материалов – как правило, из графита. Катионы лития встраиваются в полости в структуре катода, где и удерживаются силами межатомного электростатического взаимодействия.
В графитовом катоде каждый встраивающийся в межслоевое пространство катион лития затрагивает примерно шесть атомов углерода.
Применение кремния в материале катодов сулит гораздо большую выгоду: здесь каждый атом кремния может принимать до четырех катионов лития в структуре катода. Это обуславливает рекордную емкость батарей, которую можно достичь.
Однако первые попытки создания катодных материалов на основе кремния провалились, так как внедрение лития в структуру кремния приводит к резкому увеличению объема материала (до 400%), что выливается в разрушение и порошкование катода и значительное снижение его емкости.
На смену тонкопленочным и объемным технологиям исследователи под руководством И Цуя из Стэндфордского университета предлагают привести технологии квазиодномерных структур из кремния.
Такие системы вызывают повышенный интерес у материаловедов всего мира в силу уникального сочетания свойств. Нитевидные кристаллы, как правило, практически лишены дефектов кристаллической структуры, а потому обладают огромной прочностью по сравнению с объемными кристаллами и поликристаллическими материалами. Соотношение длины, достигающей в ряде случаев нескольких миллиметров, и толщины, измеряемой нанометрами, а так же кристаллической структуры, зачастую содержащей в себе туннели и полости, может вылиться в аномальные магнитные, электрические, оптические и другие свойства. Именно поэтому квазиодномерные структуры изучаются для очень широкого класса химических соединений переходных металлов и полупроводниковых материалов.
Технологию получения таких структур каждая научная группа по понятным причинам старается держать в секрете. В большинстве случаев рост одномерных кристаллов происходит по механизму пар – жидкость – кристалл (VLS – от английского vapor – liquid – solid), однако в случае каждой конкретной системы ноу-хау запуска этого механизма – наиболее ценная интеллектуальная собственность. Однако вискеры кремния были получены и изучены уже довольно давно, потому группа И Цуя применила «стандартную» методику выращивания «леса» кремниевых нанотрубок, один конец которых прикреплен к подложке из нержавеющей стали.
В дальнейшем на основе полученного электрода ученые создали батарею, в которой в качестве анода использовали литиевую фольгу и стандартный полимерный литиевый электролит. В ходе тестовых циклов зарядки и разряда батареи кремниевые нановолокна, так же как и объемные материалы, сильно изменяли свой размер, однако разрушению и порошкованию не подвергались. Подробно использование вискеров кремния в качестве катодного материала рассмотрено на страницах журнала Nature Nanotechnology.
При многократных циклах заряда и разряда батареи ученым удалось наблюдать устойчивую емкость аккумулятора, превышающую емкость современных литиевых батарей в десять раз.
Как отметил Гербранд Cедер, эксперт из Масачуссетского технологического института, применение кремниевой нанотехнологии в производстве не только катодных, но и анодных материалов в будущем помогло бы избавиться от использования в батареях крайне неудобного металлического лития, а также снизить вес и объем батарей.
Остается только добавить, что прямые конкуренты аккумуляторов электрической энергии – топливные элементы – несмотря на отдельные достижения материаловедов, пока сильно отстают в развитии, и, придут ли они на смену литиевым источникам тока, вопрос открытый.
www.ukrindustrial.com