Новые аккумуляторы обещают продлить время работы ноутбука в 10 раз

Или позволят электромобилям получить аккумуляторы нужной емкости. Или вы сможете слушать Ipod несколько суток. Доктор Yi Cui (не знаю, как его писать по-русски) из Стендфордского университета еще не определился, где именно и когда будет применено его изобретение – литий-ионные перезаряжаемые батареи с кремниевыми нанопроводами. Суть этой концепции заключается в десятикратном увеличении емкости такого аккумулятора по сравнению с традиционным. Не смотря на то, что с момента изобретения этого типа батарей прошло 3 года, коммерческое распространение технология до сих пор не получила. Ожидается, что первые такие аккумуляторы  поступят в продажу к 2012 году, так что есть смысл рассмотреть их подробней.

Принцип  работы обычного литий-ионного аккумулятора основан на движении ионов лития (как можно понять из его названия) сквозь электролит в процессе зарядки и разрядки. Если быть более точным, то в процессе разрядки такой батареи положительные ионы лития в электролите движутся от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду, создавая электрический ток.  При зарядке процесс происходит с точностью до наоборот – прикладывая силу тока и напряжение большие, чем может произвести батарея, мы заставляем ионы двигаться в обратном направлении. В случае с литий-ионным аккумулятором наши положительно заряженные ионы двигаются под воздействием внешней силы от положительного катода обратно к отрицательному аноду, где захватываются его пористой структурой.

Вот здесь и кроется самое для нас интересное – чем выше пористость анода, тем больше ионов лития он сможет «захватить» и тем больше «выпустит» их при разряде – от этого и зависит емкость литий-ионного аккумулятора. В настоящее время, наиболее распространенным материалом для изготовления анода в таких батареях служит графит – он дешев в производстве, устойчив к воздействию температуры, а самое главное — механически более-менее эластичен. Здесь следует пояснить: в процессе захвата ионов (зарядки) анод как бы раздувается, увеличиваясь в объеме за счет этих самых ионов. Наглядно сей процесс можно представить, если вспомнить как выглядит вздутый умирающий аккумулятор от какого-либо мобильного устройства. Это вздутие часто – следствие деформации анода в процессе зарядки и жить такой батарее остается не долго.

Вернемся к нашим ионам – при разряде батареи ионы наоборот покидают анод, который, в следствие этого, сжимается и направляются к катоду, который (что логично), увеличивает за счет этого свой объем. Таким образом, емкость литий-ионной батареи прямо зависит от того, на сколько пористыми окажутся анод и катод, сколько ионов они смогут принять. Есть много разных материалов, подходящих под использование в качестве электродов, но не все они имеют необходимую механическую устойчивость к такого рода деформациям. В их числе кремний – материал, имеющий гораздо большую емкость, однако быстро деградирующий в течение нескольких циклов зарядки-разрядки. С кремнием в качестве анода для аккумуляторов эксперименты проводились последние 20 лет, однако действенного способа борьбы с деградацией материала найдено не было.

Доктор Yi Cui решил эту проблему вполне в духе нашего времени – при помощи нанотехнологий. В качестве анода для литий-ионных батарей был применен стержень из нержавеющей стали, покрытый кремниевыми нанопроводами. Нанопровода, если кто не помнит, это провода, имеющие диаметр сечения нанометрового масштаба. Пористость такой структуры можно наглядно представить в виде гвоздя, на который натянули проволочную мочалку 🙂  Общий объем конструкции будет примерно равен объему такой мочалки. Если вспомнить, что сечение нитей такого клубка и расстояние между ними имеет нанометровые масштабы, то становится понятно, от чего емкость батареи возрастает в 10 раз.

Учитывая, что провода такой наномочалки могут раздувать и сжимать ее в объеме сколь угодно большое количество раз, получающаяся батарея на основе кремния выходит устойчивой к разрушению при деформации, используя в качестве анода кремний, чего все и добивались. В прочем, здесь разработку теснят углеродные нанотрубки, которые можно использовать схожим образом. Правда, их производство обходится дороже производства кремниевых нанопроводов.

Вспоминая конструкцию литий-ионного аккумулятора не забудем и про катод. Его в настоящее время делают из оксидов различных металлов и лития. Здесь тоже есть поле для улучшения – материалов используют много и разных, однако применять нанопровода пока не пробовали. Этим в настоящее время вроде как занимается команда доктора Yi Cui. Зачем выводить на рынок аккумулятор с десятикратной разницей в емкости, если эту разницу можно сделать двадцатикратной? Хотя, лично меня бы устроило даже тройное увеличение времени работы ноутбука от стандартной батареи.

На этом китайский ученый остановился и принялся предлагать коммерциализацию своей технологии заинтересованным лицам – концерну GM в качестве тягового аккумулятора перспективной тогда (да и сегодня) концепции полностью электрического автомобиля Chevrolet Volt, производителям аккумуляторов в портативные устройства, в том числе компании Аpple (с ее любовью зашить в корпус несменный аккумулятор) и всем остальным, кто готов выделить на это деньги. На момент такой презентации прототип не выдерживал необходимые 1000 циклов перезарядки и в серию не пошел, доктору предложили искать деньги на дальнейшую доработку. 

И спонсоры нашлись  — коммерчески доступный аккумулятор предполагается вывести на рынок к 2012 году, правда, кто именно первым применит его в своем устройстве, не сообщается. Конечно, если к тому времени эти батареи будут еще актуальны, учитывая, какими темпами развиваются топливные ячейки, суперконденсаторы и другие перспективные устройства хранения электроэнергии.