Новые нановолокна продлят жизнь солнечным батареям в космосе и обычным батарейкам на Земле

Исследователи представили уникальные наноразмерные волокна оксида алюминия диаметром всего 10-20 нанометров, которые могут прочно взаимодействовать с различными полимерными матрицами, керамическими и металлическими материалами и улучшать свойства последних.

Авторы разработки – специалисты из эстонской компании ANF Development – назвали её Nafen. По их данным, нановолокна производятся путём контролируемого синтеза наноструктур оксида алюминия (Al₂O₃) на поверхности расплава алюминия в присутствии специальных окислителей.

Подобные волокна в природе не встречаются и могут быть получены только искусственным способом. Ну а применение они найдут во множестве сфер: в космической индустрии, электроэнергетике, топливной промышленности, металлургии, химической промышленности, машино- и самолётостроении, производстве строительных материалов.

В частности, нановолокна Nafen будут использованы в проекте Московского государственного технического университета имени Баумана по созданию защиты нового поколения для солнечных батарей космических аппаратов.

Исследования показали, что тонкие стёкла батарей, модифицированные нановолокнами, становятся прочнее на 40% и могут длительное время выдерживать разрушительное воздействие радиации и метеопыли. Это очень важно, поскольку подобное внешнее воздействие вызывает деградационные процессы в материалах и конструкциях батарей, из-за чего теряются их энергетические мощности и уменьшается срок службы.

Поэтому учёные предлагают модифицировать стекло, используя нанокристаллический волокнистый материал нового поколения. Покрытия из такого материала будут максимально тонкими.

"Чем тоньше защитное стекло, тем меньше вес батареи в целом и энергетические потери этого источника питания. Основной проблемой применения тонких пластин является их недостаточная механическая прочность. Nafen, используемый для модификации базовых полимеров защитных покрытий, сможет повысить почти на 40% их прочность, износостойкость, огнестойкость ", — рассказал координатор проекта Алексей Третьяков.

Не меньшую роль инновационные нановолокна могут сыграть и в создании нового поколения "суперживучих" батареек.

Напомним, что сегодня наиболее популярным типом аккумуляторных батарей являются литий-ионные. Но присутствующий в них жидкий электролит токсичен, недолговечен, а порой даже становится причиной взрыва аккумулятора при зарядке.

Более безопасным и перспективным решением являются литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые могут быть использованы в самом широком спектре устройств – от электромобилей до смартфонов. Вместо жидкого электролита в таких аккумуляторах задействован негорючий твёрдый полимерный электролит (чаще всего это полиэтиленоксид).

Однако и здесь не всё так просто: основной проблемой этих батарей является постепенная кристаллизация полимерного электролита. Из-за неё постепенно снижается ёмкость аккумулятора при циклах заряда-разряда. К тому же литий-полимерные батареи отличаются малым сроком службы и повышенными требованиями к условиям заряда аккумуляторов. Всё это затрудняет широкую коммерциализацию подобных устройств.

Команда проекта Nafen провела ряд работ и тестов и выяснила, что добавление нановолокон оксида алюминия в полиэтиленоксид препятствует процессу его кристаллизации, сохраняя полимер в проводящей форме. Таким образом нановолокна решают проблему потери ёмкости батареи при её длительном использовании.

Испытания полимерной электролитной системы, улучшенной нановолокнами оксида алюминия, в течение 300 циклов заряда-разряда показали очевидное превосходство над конкурентными решениями, отмечают учёные.

"Вполне возможно, что именно наполненные нановолокнами полимерные электролиты позволят получить требуемые эксплуатационные свойства для широкого распространения литий-полимерных аккумуляторов на рынках повседневных портативных устройств", — заключает Алексей Третьяков.

Его команда также добавляет, что технология производства нановолокон может быть легко масштабирована в зависимости от объёмов спроса на материал.

Добавим, что ранее проблему возгорания литиево-ионных батарей из-за коротких замыканий исследователи предложили решать при помощи кевларового нановолокна.

Тем временем американские учёные научились получать углеродные нановолокна буквально из воздуха