Ученые создали материал для «вечных батарей»
06-03-2012
Энергетики всего мира уже много лет ведут поиск решения, которое поможет накапливать вырабатываемую энергию в часы минимального потребления, а потом отдавать энергию потребителям в периоды пиковой нагрузки. Именно такие батареи в перспективе предполагается создавать из нового нано-материала. Этот материал, создаваемый из органических соединений меди, позволяет изготовить высоковольтные электроды аккумуляторных батарей с минимальными затратами на производство, множеством циклов перезарядки, высокой эффективностью и устойчивостью к износу.
Потенциал долговечных батарей очевиден: эта технология позволяет решить одну из основных проблем экологически чистой энергетики, где ветровые турбины или солнечные батареи вырабатывают энергию только в определенные часы дня. Хотя на данный момент рабочие образцы батарей с новыми электродами еще не существуют, можно считать, что их ключевой компонент уже готов – супер-электроды из мельчайших частиц на основе соединений меди.
Как показали лабораторные испытания, электрод из нового материала выдерживает по 40 тысяч циклов зарядки-разрядки, сохраняя более 80% исходной емкости. Для сравнения, обычная литий-ионная батарея может выдержать около 400 циклов, после чего становится практически бесполезной, теряя значительную часть емкости. По расчетам Колина Весселса (Colin Wessells), ведущего автора статьи о новом материале, опубликованной в журнале Nature Communications, даже при нескольких циклах зарядки-разрядки в день батарея с новыми электродами легко прослужит 30 лет. Соавтор статьи, доцент кафедры материаловедения Стэнфордского университета И Цуй (Yi Cui), считает, что в практическом смысле ресурс нового материала для электродов аккумулятора является неограниченным, ведь десятки тысяч циклов – это действительно очень много.
В основе нового нано-материала лежат кристаллы гексацианоферрата меди. В кристаллическом виде он имеет открытую структуру, благодаря которой ионы – заряженные частицы, движение которых заряжает или разряжает батарею – могут свободно проходить в том или ином направлении, не повреждая сам электрод. Большинство батарей изнашивается как раз из-за накопления повреждений в кристаллической структуре электродов.
Авторы исследования утверждают, что им удалось подобрать оптимальный размер ионов, чтобы они одновременно свободно проходили через открытую структуру кристаллов электрода, не прилипали к материалу (как происходит при слишком малых размерах иона) и не разрушали электрод (как случается при прохождении слишком крупного иона через материал электрода). Самый подходящий размер ионов нашли у гидратированного калия – этот электролит оказался лучше, чем аналогичные соединения натрия и лития.
Кроме ученых из Стэнфорда развитием аккумуляторных технологий активно занимаются и другие авторитетные исследовательские центры. Например, в марте этого года университете штата Иллинойс представил батарею из углеродных нанотрубок толщиной в 10 тысяч раз меньше человеческого волоса. Университет штата Мэриленд работает над повышением эффективности литий-ионных батарей с помощью известного вируса табачной мозаики: им удалось в 10 раз увеличить эффективную площадь электродов в таких батареях. Тем временем, Лидский университет (Великобритания), представил литий-гелевые батареи, которые не только могут принимать практически любую форму, но еще и очень технологичны: минимальная толщина батареи составляет всего несколько нанометров, а производить их можно со скоростью в десятки погонных метров за минуту.
По материалам сайтов eWEEK и Gizmag.
