Исследовательский коллектив из Стэнфордского университета
(США) заявил об изобретении нового материала на базе наночастиц, из которого
можно делать буквально «вечные» аккумуляторные батареи, пригодные для
выравнивания нагрузки в промышленных электрических сетях. По заявлению авторов
многоразовые энергетические накопители на основе этого материала могут служить
по 30 лет без снижения рабочих показателей. Что касается количества циклов
заряда-разряда, то новые батареи способны выдерживать в 100 раз больше таких
циклов, чем современные серийные аккумуляторы.
Энергетики всего мира уже много лет ведут поиск решения,
которое поможет накапливать вырабатываемую энергию в часы минимального
потребления, а потом отдавать энергию потребителям в периоды пиковой нагрузки.
Именно такие батареи в перспективе предполагается создавать из нового
нано-материала. Этот материал, создаваемый из органических соединений меди,
позволяет изготовить высоковольтные электроды аккумуляторных батарей с
минимальными затратами на производство, множеством циклов перезарядки, высокой
эффективностью и устойчивостью к износу.
Потенциал долговечных батарей очевиден: эта технология
позволяет решить одну из основных проблем экологически чистой энергетики, где
ветровые турбины или солнечные батареи вырабатывают энергию только в
определенные часы дня. Хотя на данный момент рабочие образцы батарей с новыми
электродами еще не существуют, можно считать, что их ключевой компонент уже готов – супер-электроды из мельчайших частиц на основе соединений
меди.
Как показали лабораторные испытания, электрод из нового
материала выдерживает по 40 тысяч циклов зарядки-разрядки, сохраняя более 80%
исходной емкости. Для сравнения, обычная литий-ионная батарея может выдержать
около 400 циклов, после чего становится практически бесполезной, теряя
значительную часть емкости. По расчетам Колина Весселса (Colin Wessells),
ведущего автора статьи о новом материале, опубликованной в журнале Nature
Communications, даже при нескольких циклах зарядки-разрядки в день батарея
с новыми электродами легко прослужит 30 лет. Соавтор статьи, доцент кафедры
материаловедения Стэнфордского университета И Цуй (Yi Cui), считает, что в
практическом смысле ресурс нового материала для электродов аккумулятора
является неограниченным, ведь десятки тысяч циклов – это действительно очень
много.
В основе нового нано-материала лежат кристаллы
гексацианоферрата меди. В кристаллическом виде он имеет открытую
структуру, благодаря которой ионы – заряженные частицы, движение которых
заряжает или разряжает батарею – могут свободно проходить в том или ином
направлении, не повреждая сам электрод. Большинство батарей изнашивается как
раз из-за накопления повреждений в кристаллической структуре электродов.
Авторы исследования утверждают, что им удалось подобрать
оптимальный размер ионов, чтобы они одновременно свободно проходили через открытую
структуру кристаллов электрода, не прилипали к материалу (как происходит при
слишком малых размерах иона) и не разрушали электрод (как случается при
прохождении слишком крупного иона через материал электрода). Самый подходящий
размер ионов нашли у гидратированного калия – этот электролит оказался
лучше, чем аналогичные соединения натрия и лития.
Кроме ученых из Стэнфорда развитием аккумуляторных
технологий активно занимаются и другие авторитетные исследовательские центры.
Например, в марте этого года университете штата Иллинойс представил батарею из
углеродных нанотрубок толщиной в 10 тысяч раз меньше человеческого волоса.
Университет штата Мэриленд работает над повышением эффективности литий-ионных
батарей с помощью известного вируса табачной мозаики: им удалось в 10 раз
увеличить эффективную площадь электродов в таких батареях. Тем временем,
Лидский университет (Великобритания), представил литий-гелевые батареи, которые
не только могут принимать практически любую форму, но еще и очень технологичны: минимальная толщина батареи составляет всего несколько нанометров, а
производить их можно со скоростью в десятки погонных метров за минуту.
По материалам сайтов eWEEK и Gizmag.
|
