Каждая отдельная ячейка, запасающая энергию, имеет размеры в десятки нанометров
Нанотехнологии помогли создать аккумулятор с рекордной скоростью зарядки. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Energy & Environmental Science командой во главе с Ульрихом Визнером (Ulrich Wiesner) из Корнелльского университета.
Авторы отошли от традиционной схемы "один катод, один анод и много электролита между ними". Вместо этого они создали сложную 3D-структуру, содержащую тысячи наноразмерных пор и тонкие плёнки электролита.
Основная составляющая нового аккумулятора – её анод, изготовленный из углеродного сополимера. По форме он напоминает сложную фигуру, известную как гироид (gyroid). В нём множество периодически расположенных пор, размер которых не превышает 40 нанометров.
Разумеется, подобную структуру невозможно было бы создать "вручную". Авторы воспользовались методом самосборки, который широко применяется нанотехнологами. Он заключается в создании условий, при которых крошечные компоненты устройства сами выстраиваются нужным образом.
Анод покрыт плёнкой электролита толщиной 10 нанометров. Он обладает ионной, а не электронной проводимостью (то есть по нему перемещаются заряженные ионы, а не электроны). Очень важно, чтобы эта пленка не имела дефектов, так как в противном случае может произойти короткое замыкание и воспламенение устройства. К счастью, в распоряжении человечества есть метод электрополимеризации, позволяющий создать плёнку нужного качества.
В поры анода добавлена сера, которая выполняет роль катода. Чтобы отводить запасённое в батарее электричество, остальная часть пор заполнена полимером PEDOT, который является хорошим проводником.
"Это поистине революционная архитектура батареи", – резюмирует Визнер в пресс-релизе исследования.
Главное преимущество нового устройства – невиданная скорость зарядки. По оценкам разработчиков, аккумулятор, питающий мобильное устройство, можно будет зарядить за несколько секунд.
Впрочем, технология пока не готова к промышленному применению. Проблемой остаётся изменение объёма серы при зарядке и разрядке. Периодически расширяющая серная "пробка" постепенно разрушает слой полимера PEDOT, не обладающий такой пластичностью. В результате ячейка постепенно выходит из строя, и ёмкость аккумулятора снижается. Авторы работают над тем, чтобы исправить этот недостаток.
