Исследователи из Уппсальского университета (Швеции) создали
опытный образец гибкой перезаряжаемой батареи, созданной из двух дешевых и
широко распространенных материалов – соли и бумаги. В качестве электродов в
новых батареях используются тонкие листы спрессованных в подобие бумаги волокон
целлюлозы, а солевой раствор служит электролитом.
Представленная шведами батарея относится к многообещающему
классу тонкопленочных батарей, над которыми работают множество компаний по
всему миру. Уже в текущем 2009 году, как сообщает исследование
компании NanoMarkets, на рынок поступит более 4 миллионов единиц таких
батарей разных производителей. Другое дело, что большинство исследователей
работают с батареями на основе соединений лития с такими металлами, как никель,
кобальт и марганец. Батарея из бумаги и соли может стать идеальным заменителем
литиевых источников тока в слаботочных устройствах, в том числе для
беспроводных датчиков, смарт-карт, медицинских имплантах и радиометках RFID.
Кроме того, вся конструкция новой батареи отличается высокой экологичностью – в
ней не используются токсичные компоненты, а сырье можно брать непосредственно
из морей и озер. Так, целлюлоза для бумажного электрода получена из мельчайших
водорослей, обитающих в большинстве водоемов.
Следует заметить, что рабочие характеристики первых образцов
бумажного аккумулятора пока нельзя назвать блестящими. Если литиевые батареи
могут выдавать ток напряжением до вольт с энергетической емкостью 200-300
милливатт•часов на 1 грамм изделия, то одна ячейка бумажной батареи выдает
всего 1 вольт при емкости не более 25 милливатт•часов на 1 грамм. Кроме того, при снятии максимального тока бумажная батарея теряет 6% своей емкости после 100
циклов перезарядки. В то же время, Мария Стрёмме (Maria Stromme), руководитель
группы разработчиков, заявила, что при снижении тока батарея успешно выдержала
1000 циклов перезарядки. Кроме того, указывает Стрёмме, столь слабые
характеристики энергетической емкоcти получены на первых прототипах батареи
коммерческие образцы должны стать гораздо лучше.
Сейчас авторы бумажной батареи работают над оптимизацией
своего изделия. В частности, ведутся эксперименты по интеграции нескольких
ячеек для снижения тока, приходящегося на каждую ячейку. Низка стоимость
исходных материалов, по мнению исследователей, способствует быстрой адаптации
новых батарей под целевые приложения в зависимости от конкретных характеристик
потребителя тока. Вдобавок ко всему, бумажная батарея демонстрирует
фантастически короткое время перезарядки – всего несколько десятков секунд. Для
сравнения, лучшие серийные тонкопленочные аккумуляторы на литиевых элементах
требуют не менее для перезарядки 20 минут.
Для изготовления бумажных электродов шведские ученые
использовали высушенные водоросли – стенки их клеток содержат целлюлозу с
площадью поверхности в 100 раз больше, чем размеры самой клетки. Готовые листы
целлюлозы покрыты токопроводящим полимером, а между электродами размещается
фильтровальная бумага, пропитанная солевым раствором. Положительно заряженные
ионы хлора, который получается при электролизе солевого раствора во время
зарядки, бегут к отрицательному электроду, а электроны в это время бегут по
внешней цепи, создавая электрический ток. Поскольку ионы очень быстро проникают
через тонкий электрод, время зарядки существенно сокращается по сравнению с
литиевыми батареями, где используются различные гели, где скорость движения
ионов сравнительно невелика.
Авторы новых бумажных батарей уверены, что экологически
чистая конструкция их изделия поможет найти ниши для эффективного применения.
Коммерческий выпуск таких аккумуляторов, по мнению авторов, можно наладить в
течение всего трех лет. Кроме того, производство таких батарей можно развернуть
даже в развивающихся странах, где высокотехнологичные материалы типа лития и
других редких элементов попросту недоступны.
Подробнее о бумажно-солевых аккумуляторах, изобретенных
учеными из старейшего публичного университета Скандинавии, можно прочитать в
статье на сайте MIT
Technology Review, а также в их собственной статье, опубликованной в
журнале Nano Letters.
|
