Инновационные технологии

«Святой Грааль» электроники будет создан из стекла?

Любому электронному устройству для работы необходимо электричество, и наше время высокой мобильности не допускает зависимости от розетки. По этой причине хороший аккумулятор, который обеспечит непрерывную работу устройства, является «Святым Граалем» современной электроники. В его поисках участвуют представители самых разных отраслей — от производителей процессоров и мобильных телефонов до производителей автомобилей. Смогут ли недавние открытия приблизить нас к настоящему прорыву?

Автор: Марчин Бойко (Marcin Bójko)

В теории принцип работы гальванического элемента довольно прост. Два электрода погружаются в электролит. В результате химической реакции между электродами и электролитом возникает разность потенциалов, за счет чего возникает электрический ток. Если химическая реакция в гальваническом элементе протекает обратимо (то есть путем направления тока в обратную сторону можно обратить реакцию и добиться изначального состояния элемента), то такой элемент является перезаряжаемым, то есть — аккумулятором.

Электроды и электролит изготавливают из самых разных материалов. Довольно долгое время наиболее распространенными материалами были свинец и его оксид, а также серная кислота. Такие элементы используются во всех автомобилях.

Традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы обладают рядом преимуществ: их можно заряжать и разряжать сильным током, они долговечны и просты в использовании, кроме того, они производятся из недорогих материалов и не требуют использования сложных зарядных устройств.

По сути, самым большим недостатком таких аккумуляторов является большой вес, что не позволяет использовать их в мобильных устройствах или в авиации, хотя они до сих пор используются на подводных лодках, где их вес не представляет собой проблему.

Из-за недостатков свинцово-кислотных аккумуляторов ученые стали искать новые методы накопления электроэнергии, и в результате были изобретены кадмиево-никелевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи.

Самым серьезным недостатком таких батарей является так называемый «эффект памяти»: он приводит к потере емкости аккумулятора (на самом деле происходит значительное падение напряжения, которое воспринимается системами мониторинга как показатель полного разряда аккумулятора). Эффект памяти — это падение номинального напряжения вследствие зарядки не полностью разряженного аккумулятора.

Эти проблемы решаются с помощью специального зарядного устройства. Такие аккумуляторы необходимо полностью разряжать, особенно в самом начале их использования. Этот процесс называют «формовкой». Некоторые владельцы новых мобильных телефонов до сих пор полностью разряжают аккумулятор перед началом использования телефона, не зная о том, что эта процедура может повредить литий-ионные или литий-полимерные батареи, которые теперь используются во многих устройствах вместо никелевых.

Группа инженеров под руководством Джона Гуденафа (John Goodenough), профессора Инженерной школы им. Кокрелла, разработала инновационную технологию элемента аккумулятора. Фото: Техасский университет в Остине

Энергетическая плотность литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов гораздо выше. Они обеспечивают больше киловатт-часов на килограмм и литр аккумулятора по сравнению с никелевыми и свинцовыми аккумуляторами. Это неоспоримое преимущество.

Однако такие аккумуляторы также имеют и недостатки, как то необходимость в сложных зарядных устройствах, высокая чувствительность к полной разрядке и, что самое серьезное, риск возникновения короткого замыкания, приводящего к перегреву аккумулятора и в крайних случаях к взрыву. Из-за таких случаев, как идущий из аккумуляторов самолета Boeing 787 дым или самовозгорание мобильных телефонов, батареи на основе компонентов лития приобрели дурную репутацию.

На протяжении долгого времени инженеры искали новые решения, которые помогут избавиться от недостатков и неисправностей литиевых элементов и в то же время позволят производить более емкие аккумуляторы с более высокой скоростью зарядки. Одно из таких решений недавно представила группа ученых под руководством Джона Гуденафа, профессора Инженерной школы имени Кокрелла при Техасском университете в Остине (США). Статья об этом открытии была опубликована в журнале Energy&Environmental Science.

Что примечательно, именно этот 94-летний ученый в 1980 году изобрел материал, который сейчас используется в качестве катодов в литий-ионных аккумуляторах. А недавно он вместе с коллегами разработал инновационную технологию конструирования электрических элементов на основе твердого аморфного электролита, который иногда называют «стеклянным электролитом».

Важно отметить, что за проект отвечала Мария Хелена Брага (Maria Helena Braga) из Университета Порту (Португалия). Гуденаф предложил наиболее оптимальный способ использования свойств твердого электролита, в результате чего был создан прототип, и вскоре технология была запатентована.

Свойства прототипа нового аккумулятора выглядят многообещающе: его емкость в три раза выше, чем у литий-ионного аккумулятора аналогичного размера. Кроме того, эти аккумуляторы гораздо быстрее заряжаются и могут работать при температуре до -20 градусов по Цельсию. Во время тестирования прототип выдержал 1200 циклов заряда-разряда без снижения емкости. Таким образом, можно говорить о появлении в будущем весьма долговечных аккумуляторов.

Передовое исследование профессора Джона Гуденафа и его группы ученых проводилось под руководством Марии Хелены Брага из Университета Порту. Фото: Техасский университет в Остине

Твердый электролит обладает несколькими преимуществами. Во-первых, не происходит отделения металла от электрода, что в литиевых батареях приводило к образованию так называемых дендритов — наростов лития, которые могут привести к короткому замыканию, что в свою очередь может стать причиной самовозгорания батареи.

Во вторых, твердый электролит обладает повышенной износоустойчивостью: литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы могут возгораться из-за воздействия высокой ударной силы (такое случалось, например, после тяжелой посадки вертолета или самолета).

Наконец, в основе таких аккумуляторов используются щелочные металлы, то есть литий или натрий в электродах, что существенно улучшает электрические характеристики аккумулятора.

Прототип литий-ионных аккумуляторов, предназначенных для массового производства, был представлен в 1985 году, а первая серия элементов появилась на рынке в 1991 году. С тех пор потребности рынка росли в геометрической прогрессии в связи с ускоренным развитием инновационных технологий.

Для обычных потребителей исследование, проведенное Инженерной школой имени Кокрелла, означает одно: вскоре возможно появление усовершенствованных аккумуляторов в мобильных устройствах и сокращение времени зарядки аккумуляторов электромобилей.

Поделиться этой статьей

Другие темы

Инновационные технологии Наука

Читать эту статью следующей

Read Full Story