Втрата ваги для акумуляторів

Роберт Ф. Сервіс, 14 серпня 2009 р., 00:00

Маючи в продажу 27 мільярдів доларів на рік, літій-іонні акумулятори вже домінують на ринку акумуляторів. Але завжди є тиск, щоб зробити краще. Зараз дослідники повідомляють, що вони придумали спосіб використання нанотехнологій або для значного збільшення ємності акумулятора літій-іонних батарей, або для зменшення їх ваги при збереженні поточного енергетичного вмісту. Нова робота може призвести до всього, починаючи від легших ноутбуків і закінчуючи електромобілями із значно більшим радіусом дії.

У звичайних акумуляторних батареях позитивно заряджені іони літію зберігаються в аноді на основі вуглецю та надходять у катод у міру розрядки акумулятора. Вуглець легкий і довговічний протягом багатьох циклів зарядки та розрядки. Але для утримання кожного іона літію потрібно приблизно шість атомів вуглецю. Нещодавно дослідники прагнули виготовити аноди з кристалічного кремнію, оскільки кожен атом кремнію вміщує близько чотирьох атомів літію, що дає йому можливість зберігати набагато більше енергії.

У 2007 році дослідники на чолі з І Цуї, вченим з матеріалів Стенфордського університету в Пало-Альто, штат Каліфорнія, зробили саме це. Вони виготовили свій анод з кристалічних кремнієвих нанопроволок, досить вузьких, щоб набухати і стискатися з меншими пошкодженнями. Акумулятори могли зберігати в 10 разів більше заряду, ніж звичайні акумулятори, але вони зношувались при повторних циклах зарядки та розрядки. Проблема полягає в тому, що кристалічний матеріал врешті-решт руйнується, руйнуючи його здатність до перезарядки.

Тож для свого поточного дослідження команда Цуя замінила тендітні кремнієві нанопроводи вуглецевими нановолокнами, які потім були одягнені в аморфний кремній. Властива стабільність вуглецевих ядер дозволила дослідникам повністю зарядити аморфний кремній іонами літію. Результатом, про який вони повідомляють у майбутньому випуску Nano Letters, є те, що нові вуглецево-кремнієві гібридні аноди мають в шість разів більше зарядну здатність, ніж звичайні загальновуглецеві аноди, але на ранніх випробуваннях вони виявляються більш стабільними, ніж їх кремнієві аналоги. Зрештою це може дозволити компаніям, що займаються акумуляторами, виготовляти більш легкі акумулятори, що може бути ключовим для майбутніх електромобілів; компанії також можуть підтримувати незмінною вагу акумулятора, але збільшити кількість енергії, яку вони зберігають, на цілих 50%, вважає Цуй.

Арумугам Мантірам, хімік із матеріалів та експерт з батарей в Техаському університеті, Остін, високо оцінює прогрес. Але наскільки саме ці результати покращать майбутні акумулятори, незрозуміло, за його словами, оскільки нові матеріали все одно повинні бути інтегровані з іншими компонентами батареї і доведено, що вони дешеві, безпечні та швидко заряджаються. "Це дуже, дуже складна проблема", - говорить Мантірам. "Ось чому технологія акумуляторів змінюється так повільно".

Роберт Ф. Сервіс

Боб - репортер новин Science у Портленді, штат Орегон, висвітлює питання хімії, матеріалознавства та енергетики.