Нанобатарейки – мощные и долговечные

 

В отличие от транзисторов миниатюризация батареек происходит очень медленно. Размер гальванических элементов питания, приведённый к единице мощности, уменьшился за последние 50 лет лишь в 15 раз, а размер  транзистора за это же время уменьшился  более чем 1000 раз и составляет сейчас около 100 нм. Известно, что размер автономной электронной схемы часто определяется не её электронной начинкой, а размером источника тока. При этом, чем умней электроника прибора, тем большую батарейку она требует. Поэтому для дальнейшей миниатюризации электронных приборов необходимо разрабатывать, новые типы батареек. И здесь опять помогают нанотехнологии

Наночастицы увеличивают поверхность электродов

Чем больше площадь электродов батареек и аккумуляторов, тем больший ток они могут давать. Чтобы увеличить площадь электродов, их поверхность покрывают проводящими наночастицами, нанотрубками и т.п.

Компания Toshiba в 2005 году создала прототип литий-ионной аккумуляторной батарейки, отрицательный электрод которой был покрыт нанокристаллами титаната лития, в результате чего площадь электрода выросла в несколько десятков раз. Новый аккумулятор способен набирать 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки, в то время как обычные литий-ионные аккумуляторы заряжаются со скоростью 2-3% в минуту, и для полной зарядки им требуется целый час.

Кроме высокой скорости перезарядки аккумуляторы, содержащие электроды из наночастиц, имеют увеличенный срок службы: после 1000 циклов заряда/разряда происходит потеря лишь 1% ее емкости, а общий ресурс новых батарей составляет более 5 тысяч циклов. А ещё, эти аккумуляторы могут работать при температурах до -40^оC, теряя при этом лишь 20% заряда против 100% у типичных современных аккумуляторных батарей уже при -25^оC.

С 2007 года появились в продаже аккумуляторы с электродами из проводящих наночастиц, которые могут быть установлены на электромобили. Эти литий-ионные аккумуляторы способны запасать энергию до 35 кВт^.час, заряжаясь до максимальной ёмкости всего за 10 минут. Сейчас дальность пробега электромобиля с такими аккумуляторами – 200 км, но уже разработана следующая модель этих аккумуляторов, позволяющая увеличить пробег электромобиля до 400 км, что практически сравнимо с максимальным пробегом бензиновых машин (от заправки до заправки).

 

Нановыключатель для батарейки

Один из основных недостатков современных батареек - они за несколько лет полностью теряют свою мощность даже, если не работают, а лежат на складе (15 % энергии теряются каждый год). Причиной падения со временем энергии у батареек является то, что даже у неработающих батареек электроды и электролит всегда соприкасаются между собой, и поэтому постепенно меняются ионный состав электролита и поверхность электродов, что и вызывает падение мощности батареек.

Чтобы избежать контакта электролита с электродами при хранении батарейки, их поверхность можно защитить нановолосками, несмачиваемыми водой (см. рисунок 55), имитируя «эффект лотоса», о котором было рассказано выше.

Рисунок 55. Схематическое изображение «нанотравы» из наностержней 300 нм диаметра, растущей на одном из электродов батарейки. Из-за гидрофобных свойств материала нановолосков раствор голубоватого электролита не может приблизиться к поверхности «красного» электрода, и батарейка не теряет своей мощности в течение многих лет. Взято из Scientific American, 2006, Feb, p. 73.

 

Известно, что адгезией (прилипанием) можно управлять с помощью внешнего электрического поля. Каждый видел, как к наэлектризованной пластмассовой расчёске, прилипают мелкие кусочки бумаги, крошки, пыль и т.п. Смачиваемость определяется адгезией, и поэтому электрическое поле, приложенное между жидкостью и поверхностью твёрдого тела, всегда увеличивает смачиваемость последнего.   

Гидрофобное покрытие нановолосков защищает поверхность одного из электродов батарейки от контакта с электролитом (рис. 55). Однако, если мы хотим пользоваться батарейкой, то, достаточно подать небольшое напряжение на нановолоски, и они становятся гидрофильными, в результате чего электролит заполняет всё пространство между электродами, делая батарейку работоспособной.

Считают, что описанная выше нанотехнология включения и выключения будет востребована для батареек в разнообразных в датчиках, например, сбрасываемых с самолёта в труднодоступных областях, использовать которые планируется лишь через несколько лет или в каких-либо специальных случаях по сигналу.

Конденсаторы с обкладками из нанотрубок

Исследователи считают, что электрический конденсатор, изобретённый около 300 лет тому назад мог бы стать отличной батарейкой, если усовершенствовать его с помощью нанотехнологий. В отличие от гальванических источников тока конденсатор может неограниченно долго служить аккумулятором электрической энергии. При этом зарядить конденсатор можно гораздо быстрее, чем любой аккумулятор. 

Единственный недостаток электрического конденсатора, по сравнению с гальваническими источника тока, - его малая удельная энергоёмкость (отношение запасённой энергии к объёму). В настоящее время удельная энергоёмкость конденсаторов приблизительно в 25 раз меньше, чем у батареек и аккумуляторов.

Известно, что ёмкость и энергоёмкость конденсатора прямо пропорциональны площади поверхности его обкладок. С помощью нанотехнологий для увеличения площади обкладок конденсатора можно на их поверхности вырастить лес из проводящих нанотрубок (рис. 56). В результате, энергоёмкость такого конденсатора может увеличиться в тысячи раз. Полагают, что такие конденсаторы станут распространёнными источниками тока в самом ближайшем будущем.

Рисунок 56. Поверхность одной из обкладок конденсатора, представляющая собой лес и вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.

 

Вернуться к ОГЛАВЛЕНИЮ                   читать ДАЛЬШЕ