Вчені доробили залізо-нікелевий акумулятор Едісона з 1900-х років: зарядка за секунди і 12 000+ циклів

Великий разработчик Томас Эдисон так и не смог сделать универсальный железо-никелевый аккумулятор для электрокаров. Однако его идею успешно реализовали современные ученые с помощью нано-инструментов.

Первоначальная конструкция, предложенная Эдисоном, была более громоздкой, чем современный прототип, который, правда, больше подходит для хранения солнечной энергии, чем для питания электрокаров. В аккумуляторе Эдисона в качестве анода и катода использовались железные и никелевые сетки, погруженные в электролит на основе гидроксида калия. По информации, Nuts & Volts, эта батарея представляла опасность, поскольку выделяла водород во время зарядки.

Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) представили нанокластер из никеля и железа, упакованный в молекулярные побочные продукты производства говядины. Вдохновляясь природными процессами при разработке собственной концепции, ученые опирались на то, как животные формируют кости, а моллюски — раковины. Скелет обычно формируется благодаря скоординированному действию белков, которые помогают организму накапливать соединения на основе кальция.

«Правильное распределение минералов формирует крепкие, но при этом достаточно гибкие кости. Способ укладки почти так же важен, как и используемый материал, и белки определяют, как именно они располагаются», — объясняет соавтор исследования и биохимик Рик Каннер.

Аккумулятор представляет свернутые белки с большим количеством углублений и выступов, в которые исследователи добавили кластеры никеля и железа размером менее 5 нм, соответствующие положительному и отрицательному электродам. Эти молекулы они соединили с ультратонким слоем из атомов углерода и кислорода — двумерным графеном.

Перегрев смеси в воде удалял кислород, а обжиг превращал белки в углерод. В полученную структуру добавлялись крошечные металлические кластеры, содержащиеся в белке, создавая структуру, подобную аэрогелю. Это позволило максимально увеличить площадь поверхности электрода. Как объясняет биохимик и соавтор исследования Махер Эль-Кади, фактически каждый атом может участвовать в реакции, что значительно ускоряет процесс зарядки и разрядки аккумулятора.

«Люди часто считают современные нанотехнологические инструменты сложными и высокотехнологичными, но наш подход удивительно прост и понятен. Мы просто смешиваем обычные ингредиенты, применяем щадящие методы нагрева и используем широко доступные сырьевые материалы», — отмечает Эль-Кади.

По результатам начальных испытаний прототип заряжался за считанные секунды, и успешно выдерживал до 12 000 циклов зарядки-разрядки, что фактически то же самое, что более 30 лет ежедневно заряжать батарею. Однако разработчики признают, что по емкости их прототип значительно уступает Li-ion аккумуляторам. Он лучше подойдет для сохранения избыточной энергии солнечных электростанций или как резервный источник питания в центрах обработки данных.

Сейчас исследователи изучают возможность использования других металлов в этой технологии изготовления нанокластеров. Они также тестируют природные полимеры как наиболее распространенную замену бычьим белкам для облегчения потенциального производства.

Мы писали, что новые цинково-воздушные аккумуляторы работают после прокола, погружения и поджигания. В то же время первый в мире двухкатионный аккумулятор сочетает преимущества натрия и лития.