Електромобілі, ноутбуки, смартфони і безліч інших електронних гаджетів працюють від літій-іонних акумуляторів, але можливість перезарядки у них обмежена двома-трьома тисячами циклів, після чого ефективність їх роботи значно знижується. Крім того, літій – основа більшості сучасних батарей – має властивість з часом окислюватися, що також призводить втрати первинних властивостей.
Американські вчені з Каліфорнійського університету в Ірвайні спробували застосувати золоту нанодротик для збереження електричного заряду, і виявилося, що розроблена ними система перевершує традиційні літієві батареї. Вона витримувала 200 тисяч циклів перезарядки без істотного погіршення властивостей і ознак корозії.
Основа “вічних” батарей – золоті нанодроти, покриті оксидом марганцю, в електролітичному гелі
Однак, поки вони не до кінця розуміють, чому це відбувається. Первісним задумом експерименту було зробити батарею з твердим електролітом, в якій замість рідкого електроліту використовується електролітна паста. Батареї рідинні, до яких відносяться літієві, є вкрай вогненебезпечними та чутливими до впливу температур. Наприклад, при короткому замиканні літій-іонні акумулятори починають виділяти водень, який може утворювати з повітрям вибухонебезпечну суміш. Дослідники експериментували з використанням густих струмопровідних паст.
«Ми почали цикл перезарядок пристрою, а потім зрозуміли, що воно не збирається «вмирати», – зазначає керівник дослідження Реджинальд Пеннер (Reginald Penner). – Однак поки що нам до кінця не зрозумілий механізм цього явища».
За новою технологією для створення батарей використовується золота нанодріт, за розмірами не товщі бактерії, покритий оксидом марганцю і захищена шаром електролітної пасти. Паста взаємодіє з оксидним покриттям для запобігання корозії, виконуючи роль своєрідного захисту. Чим довше нанодріт, тим більше площа поверхні, і тим більший заряд вона може утримувати. Інші дослідники вже довгий час проводили експерименти з нанодротиками, але на відміну від них вчені університету в Ірвайні вперше запропонували використовувати захисну пасту.
«Паста робить набагато більше, ніж просто тримає дроти разом. Мабуть, вона робить оксид металу більш м’яким і стійким до утворення тріщин», — сказав Пеннер.
Відкриття має величезних потенціал у напрямі збільшення терміну служби батарей в побутовій електроніці, але поки тестова платформа не є справжньою батареєю. В батареях є анод, через який електричний струм входить в систему, і катод, через який він виходить. Замість цього вчені пов’язали між собою два катода, які змінюють один одного при зарядці. Безперервна циклічність зміни катодів робить ідеальну систему для тестування багаторазових перезаряджень.
Пеннер каже, що це схоже на безперервний процес переливання води з однієї чашки в іншу і назад. Після декількох сотень циклів переливання деяку кількість води, як правило, виливається, зменшуючи ємність системи. Але технологія Пеннера при переливанні води між «кухлями» 200 тисяч разів втрачає всього лише близько 5 відсотків.
Незважаючи на використання в цьому експерименті незначної кількості золота, це може зробити виробництво таких батарей дорогим. Пеннер передбачає, що замість золота можна буде застосовувати такий більш поширений метал, як нікель.
Результати дослідження опубліковані в науковій статті журналу ACS Energy Letters, також деякі подробиці повідомляються в прес-релізі університету.
Розробники елементів зберігання енергії безперервно працюють над створенням більш досконалих батарей, так як багато пристроїв часто не відповідають сучасним потребам. Так, вчені університету штату Колорадо запропонували технологію створення акумуляторів з мідної піни під назвою Prieto Battery. По суті, це 3-D батареї, які дешевше у виробництві, швидше заряджаються, безпечніше, компактніше і менш токсичні. А ось дослідники з британського Кембриджу розробили суперэффективные літій-повітряні батареї, в яких використовуються високопористі графенові електроди.
