Сверхмощные батарейки родом из моря

Ученым удалось решить ключевую проблему на пути прогресса: создать принципиально более емкие и живучие аккумуляторы. При этом использовался весьма необычный ингредиент, одолженный химиками у водных растений

+T -
Поделиться:

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».

Комментировать Всего 4 комментария

Водоросли! Это же так экологично!

Действительно, при выращивании водорослей из атмосферы захватывается углекислый газ — это раз. Можно использовать любые воды, в том числе и сточные — это два. Растворитель для альгината — простая вода, то есть индустрия получается нетоксичная для человека — это три.

Илья вспомнил о бытовой электронике и об электрокарах, но новые (более ёмкие, долговечные и при этом дешёвые) "батарейки" могут преобразить ещё одну громадную отрасль: электроэнергетику. Дело в том, что сейчас - именно из-за несовершенства и дороговизны аккумуляторов! - электроэнергия в промышленных масштабах не сберегается. Из-за этого приходится строить электростанции в таком количестве, чтобы их мощность перекрывала пик потребления:

Иначе часов эдак в шесть вечера, когда половина города ещё не выключила станки, а половина включила дома электрочайники, пришлось бы часть потребителей просто вырубать. А ведь если бы по ночам запасать электричества впрок - десятки, сотни электростанций не пришлось бы строить. Можно было бы, к примеру, обойтись без вредного для атмосферы сжигания угля.

Правда, чтобы новые аккумуляторы строить в таких масштабах, одними только инновационными анодами не обойтись. Возможно, придётся придумывать замену не только существующим катодам, но и литию, потому что его запасы ограничены.

батарейки в большой энергетике - это очень лихо!

Использование "батареек" в качестве резерва мощности для электростанций - это даже не научная фантастика.  Максимум того, на что надеются специалисты по батарейкам - это что их мощности и тока  хватит для питания практически интересных  электромобилей.   То есть, это на много порядков величин ниже чем то, что нужно в большой электроэнергетике.

Однако над упомянутым в  комментарии Александра вопросом люди работают - совсем с другой стороны. Так, есть разработки  накопителей энергии  на сверхпроводниках. Ток по сверхпроводящей цепи проходит совсем без потерь.   То есть можно запасти очень большую энергию в сверхпроводящей катушке, и "доставать" ее оттуда по мере надобности.  Наглядно это можно себе представить как аналог огромного  вращающегося маховика - причем совсем не имеющего трения.   Проблема здесь, в частности, в обеспечении безопасности:  если что-то произойдет с охлаждением мощной сверхпроводящей катушки (а охлаждать надо по меньшей мере до 77 градусов Кельвина - т.е.    - 196 Цельсия), и провод катушки быстро  перейдет из сверхпроводящего состояния в нормальное -  будет очень большой "ба-бах".