Сверхмощные батарейки родом из моря
Профессор Глеб Юшин — глава лаборатории нанотехнологий и профессор GIT (Georgia University of Technology). Недавно Юшин и его коллеги опубликовали в Science статью о том, как они сделали принципиально новый аккумулятор… из экстракта бурых водорослей и наночастиц кремния. Аккумулятор получился на 40% более емкий, чем те, что используются сегодня; а его ключевой инновационный элемент, анод, в 8 раз более емкий, чем обычный анод; и если сделают катод ему под стать, вся батарея может стать в 8 раз емче. К тому же новая батарея выдержала 1300 циклов перезарядки, а обычная, используемая в мобильном телефоне, выдерживает 300-500 циклов.
Сегодня все развитие бытовой электроники, вплоть до электрокаров, упирается в емкость батарей. Новые и новые процессоры следуют закону Мура: они удваивают мощность каждые два года; растут и их электроаппетиты, а вот емкость батарей растет лишь на 2-4% в год. Чтобы понять, как ученые борются за автономность наших устройств и во что упирается прогресс, надо вспомнить, как, собственно, работает батарейка.
Металлический стаканчик (так называемый катод), в центре которого стоит графитовый стержень (это анод), окруженный густым раствором электролита, — наверное, все помнят эту картинку из учебника. Работает такая конструкция потому, что в толщу стенок стакана загнаны заряженные частицы; перемещаясь от стенок к стержню, частицы создают ток, и мы им пользуемся. Когда все свободное место в стержне будет занято и частицам некуда будет деваться, ток остановится — батарея «села». Тогда нужно вернуть частицы назад в стенки стакана — перезарядить аккумулятор.
Таким образом, емкость аккумулятора зависит от того, как много заряженных частиц можно исходно напихать в стенки стакана и, в результате, в стержень. Число возможных перезарядок аккумулятора зависит от того, как портится стержень с каждым циклом. То есть и то и другое — от свойств конкретных материалов. Найти материалы с новыми свойствами — задача весьма нетривиальная. Если вы помните, в середине-конце 90-х аккумуляторы стали резко лучше: в качестве заряженных частиц стали использовать ионы лития; но с тех пор мало что изменилось. Открытие Юшина и коллег касается стержня, анода: они сделали его в 8 раз более емким и в несколько раз более устойчивым в перезарядке.
Уже давно говорят, что вместо графита в стержне можно было бы использовать кремний; в такой стержень можно было бы «загнать» на порядок больше лития. Проблема в том, что каждый цикл внедрения литиевых частиц и их извлечения заставлял бы крупинки кремния в стержне сильно раздуваться и сжиматься. При этом весь стержень разрушался бы, и начинал бы хуже проводить ток. Кроме того, поверхность такого стержня, которая соприкасается с электролитом, вела бы себя хуже. После первой зарядки стержень всегда покрывается тонким слоем разложившегося электролита; поведение аккумулятора зависит от целостности этой пленочки. Постоянно «играющий» стержень разрушал бы пленку, и это вело бы к дальнейшим неприятностям: расходам электролита, потерям лития и пр.
Все эти проблемы может решать полимер — своего рода тесто, в которое замешано основное вещество стержня (сегодня это графит); полимер склеивает крупинки стержня в единую колбасу в процессе изготовления на заводе. В обычных аккумуляторах используют PVDF (поливинилденфторид) — ядовитое вещество, которое не решает проблем, возникающих при использовании кремния.
«Мы искали подходящие полимеры среди самых разных веществ — и подумали, что надо проверить молекулы, которые есть в водорослях. Эти организмы живут в морской воде, которая является электролитом (иным, чем в батареях, но аналогия правомерна. — Прим. И. К.); они при этом защищены от ее агрессивного воздействия, — написал мне Глеб Юшин. — Как и в живой ткани, в аккумуляторе нам важно, чтобы электролит не проникал бы в стержень. Нам важна механическая прочность стержня и целостность его поверхности; водоросли гибкие, но очень прочные».
Альгинат — полисахарид из бурых водорослей — дешев, его легко выделять (достаточно вскипятить водоросль в крепком растворе соды); его широко используют в пищевой промышленности (например, как загуститель для мороженого) и в фарминдустрии. Ученые отлили стержни из смеси альгината и наночастиц кремния и увидели, что они в 8 раз более емкие и выдерживают по 1300 циклов перезарядки. Видимо, свойства длинных молекул альгината позволяют поверхностной пленке, да и всему стержню не разрушаться, несмотря на постоянные изменения размеров частиц кремния. Открытием немедленно заинтересовалась индустрия: Юшин сообщил, что ведет переговоры с несколькими производителями.
«А еще было бы замечательно научиться вживлять кремний в живые водоросли, чтобы стержни росли прямо на кусте», — написал мне Глеб уже после интервью. Нам же, как потребителям, будет интересно ждать не только появления «батарейных» плантаций. Дело в том, что после создания таких стержней главным лимитирующим фактором делается вещество катода — внешнего стаканчика, из которого начинают свой путь частицы лития; ведь их надо где-то брать, чтобы насыщать новые чудо-аноды. Именно поэтому батарея Юшина работает лишь на 40% дольше обычной, хотя могла бы на 800%. Вот если и катод усовершенствуют, батареи станут принципиально емче. Или меньше размером, что тоже неплохо.
Глеб Юшин ответит на вопросы участников проекта «Сноб».