АККУМУЛЯТОРЫ ДНЯ ЗАВТРАШНЕГО Исследователи Северозападного университета в

АККУМУЛЯТОРЫ ДНЯ ЗАВТРАШНЕГО

Исследователи Северозападного университета в Иллинойсе(США) разработали кремниевый анод, который работает в десять раз эффективнее традиционных батарей. В рамках другого проекта университета был представлен элемент питания, который хотя и не обладает повышенной мощностью, зато заряжается в течение десяти секунд, не теряя при этом свою емкость. При использовании такого аккумулятора зарядка, например, смартфона длилась бы несколько секунд, после чего устройством можно было бы пользоваться почти сутки.

Удельная энергоемкость наравне с бензином Группа ученых кафедры нано-технологий Университета высоких технологий в городе Карлсруэ в Германии, возглавляемое Максимилианом Фихтнером, также работает над оптимизацией литийионных аккумуляторов. «Наша система основана на металле, нано-частицы которого заключены в углеродные капсулы и вступают в реакцию с литий-фтором» , — поясняет принцип действия Фихтнер.

В настоящее время характеристики подобной батареи могут быть улучшены в два раза, однако преследуемая учеными цель — это пятикратное увеличение мощности в сравнении с традиционными элементами питания. В новом аккумуляторе заряд переносится не катионом лития, а анионом фтора. При этом на катоде и аноде образуются и распадаются фториды металлов. На стороне катода используется металл, на стороне анода — фторид металла. Основное преимущество данных материалов состоит в том, что теоретически плотность запасаемой энергии можно увеличить до 5000 Вт*ч/л. Для сравнения: у бензина это показатель составляет около 9000 Вт*ч/л, а у традиционных литий-ионных аккумуляторов достигает лишь 250 Вт*ч/л. Однако до появления на рынке фторид-ионных батарей может пройти довольно много времени.

Корпус становится накопителем энергии Над созданием аккумулятора с более гибкой формой работают также ученые Имперского колледжа в Лондоне. Их концепция очень интересна: аккумулятором в смартфонах, ноутбуках и планшетах является непосредственно их корпус. Подходящей областью применения могли бы стать и электромобили. «Благодаря нашему композитному материалу автомобиль будущего мог бы получать свою энергию от крыши, капота или дверей» , - поясняет координатор проекта Эмиль Гринхал.

В сочетании с традиционными аккумуляторами дальность хода электромобилей можно было бы увеличить приблизительно на 130 км. Новая технология позволила бы производить городской транспорт со значительно меньшими размерами и весом, так как при поездке на небольшое расстояние можно было бы отказаться от обычного аккумулятора. Основой исследовательского проекта является изучение суперконденсаторов, которые, в сравнении с обычными, имеют повышенную емкость и, в отличие от батарей, способны в течение небольшого промежутка времени отдавать больше энергии, необходимой, например, во время ускорения автомобиля. В качестве материала электродов ученые используют углеродное волокно (карбон), электролитом служит полимерный гель, а изолятором — стекловолокно.

Недорогие и надежные аккумуляторы Недостатков по короткому замыканию лишен гелевый аккумулятор: его основные компоненты на 70% состоят из жидкого электролита, который вместе с полимерами доводят до состояния гелевой массы. В процессе изготовления гель нагнетают в полость между анодом и катодом, в результате чего образуется пленка. Такие аккумуляторы не горючи, к тому же благодаря относительно простому производству они имеют невысокую стоимость. Особым преимуществом такого элемента питания является его гибкость: его можно складывать или разрезать на части произвольных размеров. В отличие от классических батарей гелевый аккумулятор можно быстро подогнать по форме к любому устройству, разместив его, например, в виде тонкой пленки на тыльной стороне OLED-дисплея или под клавиатурой ноутбука. Однако обеспечить большую, в сравнении с литий-ионными аккумуляторами, мощность он, к сожалению, не способен.

Зарядка электромобиля за пять минут Для применения в автомобилестроении интерес представляют также проточные редокс-аккумуляторы, изучением которых занят немецкий Фраунгоферовский институт химических технологий в Пфинцтале. Насос закачивает электролит в ячейку преобразователя, обмен ионами в обеих жидкостях осуществляется через мембрану. Если электролит перестает отдавать энергию, резервуары можно опустошить и снова наполнить жидкостью. При этом побочных продуктов не возникает, поэтому автозаправочные станции смогли бы заряжать электролит как обычные элементы питания.

Нанобатареи для медицины Проблемой энергоснабжения электромобилей занимаются также американские ученые университета Райс в Хьюстоне, штат Техас. Однако предмет их исследовательского проекта не столь масштабен: вот уже несколько лет ученые работают над нано-роботами для медицинских целей, которые способны самостоятельно обнаруживать болезни в организме человека и, используя медикаменты, целенаправленно их устранять. И хотя подобных роботов еще не существует, специалистам удалось изобрести необходимый источник питания. Их нано-батареи представляют интерес не только для медицины. Благодаря крохотным размерам эти миниатюрные источники энергии можно нанести на любую поверхность, даже бумагу. Гибридный элемент на основе суперконденсаторов и батарей состоит из тысячи сверхтонких нитей (нано-нитей). Размеры одной нано-нити не превышают 150 нм. Толщина всей батареи составляет всего лишь 50 000 нм, поэтому для человеческого глаза она практически неразличима. Анод данной батареи состоит из никеля и олова, катод — из поли-анилина. В качестве проводника используется гелеобразный оксид полиэтилена, а для создания закрытой электрической цепи на нити наносятся алюминий и медь.

Прозрачные аккумуляторы Стоит отметить, что ученые работают не только над мощностью и размерами накопителей энергии, но и над их внешним видом. В современных устройствах батарея находится внутри корпуса, но когда гаджеты станут прозрачными, элементы питания будут выставлены на всеобщее обозрение. Сегодня уже существуют прототипы прозрачных дисплеев. Инженеры работают также над созданием прозрачных планшетных ПК, которые можно будет сворачивать, как газету. Команда исследователей Национальной лаборатории Стэнфордского университета в Калифорнии недавно создала первый прозрачный литий-ионный аккумулятор. Ученые разработали сеть тонких проводников, каждая нить которой имеет крохотные размеры — всего лишь 35 микрон. Отметим, что предметы размером менее 50 мкм человеческий глаз различать уже не способен. Основой таких проводников служит материал под названием поли-диметилсилоксан, используемый, среди прочего, в косметике. Согласно заявлениям ученых, аккумулятор, изготовленный с применением подобных проводников, на 60% прозрачен и обладает высокой гибкостью — даже при наличии нескольких слоев, увеличивающих емкость. И хотя производство данных элементов питания достаточно сложно, исследователи утверждают, что по стоимости оно будет сопоставимо с выпуском литий-ионных аккумуляторов.

Питание от механических воздействий Более широкую область применения подразумевает технология, благодаря которой батарея ноутбука или планшета сможет подзаряжаться от нажатий кнопок клавиатуры или сенсорного дисплея. На первый взгляд это звучит парадоксально, но скоро может стать реальностью благодаря появлению специальной, чувствительной к нажатиям пленки. Принцип ее действия заключается в том, что генерируемая пользователем (например, при наборе текста) механическая энергия преобразуется в электрическую и используется для подзарядки батареи. Теоретически данный пьезоэлектрический эффект возникает тогда, когда кристаллы (например, кварц) деформируются. Практическая реализация этой технологии, предусматривающей использование наноэлементов, довольно сложна. Ученым Мельбурнского королевского технологического института в Австралии удалось измерить давление и возникающие при этом напряжение и силу тока — и все это в пределах 10– 100 нм. Генерируемое при нажатиях клавиш электричество позволяет продлить автономную работу ноутбука или планшета приблизительно на 10%.

КОНЕЦ Благодарю за внимание