Ученые продлили работу телефонных батарей в 10 раз

Нанотехнологии подняли мощность самых распространенных, литиевых, аккумуляторов в 10 раз. Использование углеродных нанотрубок позволило сделать батареи, способные обеспечить питание более мощных устройств при тех же габаритах.

Описание открытия, сделанного группой физиков из Массачусетского технологического университета, приводится на страницах журнала Nature nanotechnology. Исследователи пишут, что построенные с использованием углеродных нанотрубок электроды смогли выдержать в 10 раз больший ток по сравнению с обычными батареями, а емкость на единицу массы у новых аккумуляторов поднялась впятеро.

Кому нужен литий?

За последние полтора десятка лет литий превратился из сравнительно малоизвестного элемента в вещество, которое используется в каждом доме. У большинства читателей устройства, не работавшие бы без этого металла, на момент прочтения статьи будут лежать если не в кармане, то где-то рядом. На основе лития делают аккумуляторы для телефонов, а также для ноутбуков, фотоаппаратов, детских игрушек и прочей техники, которой надо долгое время работать без подключения к розетке.

Почему именно литий, а не, к примеру, никель, из которого также делают аккумуляторы? Почему не свинец, знакомый многим по автомобильным аккумуляторам? Причина в том, что всякий аккумулятор основан на использовании химических реакций, протекающих с выделением или поглощением электричества или, если говорить более корректно, требующих переноса электрического заряда между теми веществами, из которых сделаны электроды батареи.

 

Литиевые аккумуляторы бывают не только компактными устройствами для карманной электроники.
Источник: Claus Ableiter, снимок в Museum Autovision

 

Протекающие при заряде аккумулятора реакции лития с углеродом таковы, что с батареи можно снять сразу 3,6 вольт (вместо, к примеру, тех 1,5 В что даст пальчиковая батарейка) при довольно внушительном токе. Этим решаются сразу две задачи— во-первых, для получения большего напряжения не надо соединять вместе множество батарей последовательно, а во-вторых для получения большего тока не надо соединять батареи параллельно. Но это еще не все, особенности физико-химических свойств электродов в литиевых аккумуляторах вдобавок позволяют накапливать большую энергию, то есть литиевая батарея еще и проработает дольше своих предшественников.

И не только

 

Еще литий применяется при лечении психических заболеваний. А еще при его облучении нейтронами в ядерном реакторе можно получить тритий, радиоактивный изотоп водорода— необходимый как ученым для производства всевозможных радиоактивных меток, так и способный в будущем сыграть роль топлива для термоядерных электростанций.

Хорошие показатели литиевых аккумуляторов позволили им стать лидерами на рынке – иных устройств в новых сотовых телефонах или ноутбуках уже практически и не найти. Но хотелось бы большего: кто откажется от возможности носить мобильник без подзарядки не три дня, а две-три недели? Да и «научить» выдавать больший ток было бы нелишним, тогда можно было бы сразу решить и многие проблемы с конструированием электромобилей, для хорошей динамики которых как раз нужна большая мощность.

На этом плакате (нажмите для увеличения) представлены некоторые образцы автомобилей с электроприводом от аккумулятора. Хорошо видно, что именно батареи являлись самым серьезным ограничением на пути развития электрокаров.
Источник: GZT.RU

Нанотех

Сам по себе литиевый аккумулятор (даже «обычный»)— тоже продукт высоких технологий. Первый коммерческий образец появился лишь в 1991 году. Создание надежной батареи с приличными потребительскими качествами (кому нужно высокоемкое, но дорогостоящее устройство, которое вдобавок крайне капризно и иногда самовозгорается?) потребовало долгих и кропотливых исследований в области электрохимии и материаловедения.

А современное материаловедение по сути как раз и есть «нанотехнологии». Они позволяют создать структуры сверхмалых размеров манипуляции с веществом. Свойства одного и того же вещества могут радикально отличаться в случае цельного куска, тончайшего порошка или губки с огромной внутренней поверхностью пор. В новой батарее, о которой пишут ученые из MIT, вместо обычного углеродного электрода используются нанотрубки, причем не простые, а собранные в упорядоченную структуру с большим количеством промежутков между собой.

Самосборка

 

Все интересные с практической точки зрения упорядоченные наноструктуры собираются, конечно, не микроманипуляторами под микроскопом. Подбирая параметры химических реакций можно добиться того, что те или иные структуры образуются сами, без активного участия человека. В этом по большому счету и заключен секрет большинства нанотехнологий.

Увеличение промежутков между нанотрубками, как поясняют ученые, было основной проблемой— обычно нанотрубки стремятся слипнуться, и добиться пористой структуры оказалось непросто. Но итог работ оправдал затраченные усилия. Новая наноструктура резко увеличила внутреннюю площадь электродов.

А это, в свою очередь, позволило поднять как максимальный ток, так и емкость батареи. Опытный образец, изготовленный исследователями, по своей способности выдавать мощные импульсы тока без вреда для себя приблизился к конденсаторам, превзойдя при этом обычные литиевые аккумуляторы по емкости. На практике это будет означать не только большее время работы мобильной электроники, но и возможность использовать новинку в других сферах— от радиоуправляемых моделей до полноценных автомобилей.