Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
4 декабря 2016, воскресенье, 02:48
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

01 июня 2012, 09:59

Аккумуляторы: на пути к вечности

Источник: IBM
Источник: IBM

Прыжок в будущее

На рынке уже появляются инновационные дисплеи и микросхемы, которые предвещают новое поколение мобильных устройств. Однако до сих пор даже в самых современных гаджетах используются литиевые батареи - технология, впервые появившиеся более 20 лет назад. Из-за больших и ярких дисплеев и постоянной беспроводной связи, устройства даже с самыми емкими аккумуляторами держат заряд в лучшем случае несколько дней. Увеличение же ёмкости приводит к значительному увеличению веса и объема. К тому же постепенно начинают возникать сомнения в безопасности литиевых батарей, вплоть до того, то крупнейший американский почтовый перевозчик USPS запрещает пересылку любых электронных устройств с Li-ion и Li-pol аккумуляторами. В случае с электроавтомобилями проблема ёмкости встаёт еще более остро, так как до сих пор не существует нормальной инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов. Другая серьезная проблема современных литиевых батарей — ограниченный срок их «жизни». Обычно аккумулятора хватает примерно на тысячу циклов зарядки-разрядки.

Команда учёных Стенфордского университета под руководством И Цуй (известная как Yi Cui Lab), занимается исследованием нано-материалов, и в частности, разработкой батарей с большим количеством циклов. Их последнее изобретение — литиевая батарея на кремниевых нано-трубках — способна выдержать 6 тысяч циклов зарядки при ёмкости почти в десять раз превышающей обычную емкость литиевого аккумулятора.

«Хитрость» заключается в замене одного из компонентов — анода — на нано-материал.

В литиевой батарее три основных элемента: отрицательный электрод (анод), положительный электрод (катод) и соли лития в качестве электролита. Емкость батареи напрямую зависит от электрических свойств всех трёх компонентов.

Почти во всех литиевых аккумуляторах используется графитовый анод, емкость которого меньше 400 миллиампер в час на грамм веса, поэтому естественным ограничением емкости батареи становится вес и, соответственно, размер анода.

Учёным было известно, что теоретически кремний может быть более эффективным анодом, так как один атом кремния может связать 4 иона лития, в то время как требуется 6 атомов углерода, чтобы связать один ион лития. Однако до сих пор создать эффективную батарею с кремниевым анодом не удавалось: во время зарядки кремниевый анод расширяется почти в четыре раза от своего исходного объёма, а при разрядке «сдувается», и уже через несколько циклов трескается и выходит из строя. Кроме того, электролит вступает в реакцию с кремнием и покрывает его пленкой, препятствуя эффективной зарядке.

Уже совершались попытки использовать различные формы кремния, например, микропористый кремний, но ни одна из таких технологий не позволяла до сих создать анод с конкурентоспособным числом циклов. Инновационность разработки команды И Цуя состоит в использовании кремниевых нано-трубок с двойными стенками, покрытых оксидом кремния. Очень прочный наружный слой трубки не даёт ей расширяться наружу, вместо этого кремний безопасно «распухает» во внутреннюю полость трубки. Кроме того, диаметр трубки слишком мал, чтобы туда могли попасть молекулы электролита. Это позволяет кремниевому аноду выдержать 6 тысяч циклов зарядки, сохранив 85% исходной ёмкости.

Главная задача команды — придумать, как упростить производство кремниевых нано-трубок.

Сейчас это сложный четырёхэтапный процесс: создаются полимерные нано-волокна; они нагреваются, пока не превращаются в углерод; углерод покрывается кремнием; и лишь затем углерод удаляется и возможно получить кремниевые нано-трубки.

Разумеется, даже когда производство таких трубок будет налажено, мы не получим сразу же батарею десятикратной по сравнению с обычными литиевыми аккумуляторами ёмкостью. Ёмкость зависит также и от свойств катода и электролита, и команда Стэнфордского университета работает и над улучшением их свойств. В самых ближайших планах — выпустить батарею как минимум в два раза большей ёмкости, чем максимальная на данный момент, а для полного раскрытия потенциала кремниевых нано-трубок потребуется ещё несколько лет.

Попыткой найти альтернативный анод для литиевых батарей занимаются не только в Стэнфордском университете. Инженеры Северо-Западного университета США решили вместо графита использовать графен — двумерный аллотроп углерода толщиной в один атом, один из передовых материалов нано-технологий. Их анод составлен из миллионов слоёв графена, в каждом из которых с помощью химической реакции сделаны отверстия диаметром 10-20 нанометров. Благодаря этим отверстиям, ионам лития не приходится «обходить» каждый слой, чтобы вступить в реакцию, они могут перемещаться между слоями графена, проходя через отверстия.

Для дополнительного увеличения емкости между слоями графена размещаются кластеры кремния, каждый из которых связывает 4 иона лития. Гибкость слоёв графена позволяет кремнию безболезненно расширяться и сокращаться при связывании ионов лития, и даже если если из-за сокращений кремний распадется, он останется между листов графена.

В сумме это даёт эффект десятикратного увеличения ёмкости анода из-за применения кремния, и в то же время десятикратное уменьшение времени, требуемого на заряд аккумулятора из-за нано-отверстий в листах графена. Кроме того, учёные утверждают, что их батарея даже после 150 циклов зарядки сохраняет мощность в пять раз больше, чем обычная литиевая батарея. Разумеется, это все ещё слишком непродолжительная жизнь для батареи, и инженеры считают, что им понадобится ещё от трёх до пяти лет, чтобы довести технологию «до ума». Как и с любыми другими батареями, необходимо совершенствовать не только анод, но и катод, и электролит.

Возможно, секрет успеха создания новой батареи будет лежать в объединении двух технологий — использования листов графена совместно с кремниевыми нано-трубками.

Разработкой аккумуляторов высокой мощности для электромобилей занимается корпорация IBM в рамках своего проекта Battery 500. Его цель — создать достаточно компактную и мощную батарею, на которой семейный электромобиль смог бы проехать 500 миль. В начале апреля 2012 года инженеры IBM продемонстрировали свою последнюю разработку, литиево-воздушный аккумулятор. Используя собственные супер-компьютеры в Цюрихе и Чикаго, учёные провели расчеты по оптимизации реакции лития и кислорода в аккумуляторе. У новой батареи будет «открытая» структура: во время зарядки в батарею поступает воздух, и кислород вступает в реакцию с ионами лития, производя пероксид лития и электрическую энергию. Во время разрядки связанные атомы кислорода освобождаются и выходят обратно в атмосферу. Использование кислорода вместо позволяет добиться гораздо большей ёмкости батареи. Нынешние электромобили в среднем могут проехать 160 км, тогда как инженеры IBM уверены, что их аккумулятор позволит увеличить эту цифру до 800 километров. Впрочем, сами разработчики проекта считают, что Battery 500 станет доступной для потребителей не раньше, чем в следующем десятилетии.

Использование нано-технологий в создании аккумуляторов нового поколения теоретически может увеличить максимальную ёмкость в десятки раз. Это значит, что не только мобильные устройства смогут работать в десятки раз дольше, чем сейчас; благодаря большой плотности, можно будет производить аккумуляторы, такой же ёмкости как нынешние, но в десятки раз меньше. То есть это шаг не только к большей автономизации мобильных устройств и электроавтомобилей, но и к их миниатюризации. С развитием нано-технологий производство таких аккумуляторов будет неизбежно дешеветь, и вполне вероятно, что первые массовые батареи нового типа появятся уже в этом десятилетии.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus

Главные новости

03.12 21:03 Савченко обвинила Россию в намерении «дойти до Британии»
03.12 20:45 В Крыму прокомментировали арест золота скифов судом Киева
03.12 20:26 Появилось видео визита Грефа в Сбербанк в костюме инвалида
03.12 20:17 Пожар на вечеринке в Калифорнии привел к гибели девяти человек
03.12 19:57 В Махачкале убиты пять предполагаемых боевиков
03.12 19:45 Ураган сорвал крышу многоэтажки в Сочи
03.12 19:14 В районе Алеппо сбит самолет сирийских ВВС
03.12 19:02 Гонщик Виталий Петров вызвался заменить Нико Росберга
03.12 18:46 В Баку мужчина попытался подорваться у ТЦ
03.12 17:14 Группа калининградских школьников отравилась после экскурсии по Москве
03.12 16:57 Читатели «Полит.ру» выбрали человека недели
03.12 16:47 В Коми самолет с пассажирами застрял в сугробе
03.12 16:23 Около тысячи человек остались без газа из-за падения дерева в Сочи
03.12 15:59 В Крыму пообещали глушить украинские телеканалы
03.12 15:37 Лавров получил от Керри предложения по Алеппо
03.12 15:18 Лавров призвал Японию заключить мирный договор
03.12 15:01 Отмену христианской рок-оперы в Омске объяснили низкими продажами
03.12 14:39 В Индонезии рухнул самолет с полицейскими
03.12 14:18 В Вирджинии школьникам запретили читать «Приключения Гекльберри Финна»
03.12 14:06 Источник рассказал об исправности ракеты-носителя «Прогресса»
03.12 13:53 Взрыв на угольной шахте в Китае привел к гибели 21 человека
03.12 13:37 Московских арестантов будут перевозить на освященных автозаках
03.12 13:20 Медведев предложил платить долги по зарплате раньше налогов
03.12 12:56 В Норвегии нашли украденные ворота немецкого концлагеря
03.12 12:36 Роналду заподозрили в сокрытии 150 млн евро налогов
03.12 12:15 Белый дом и МИД Китая прокомментировали разговор Трампа с главой Тайваня
03.12 12:00 Фидель Кастро лидирует в опросе о человеке недели на «Полит.ру»
03.12 11:53 Неизвестный сбросил девушку в Фонтанку за отказ знакомиться
03.12 11:32 Восьмиклассник на «семерке» совершил смертельное ДТП в Башкирии
03.12 11:05 ЦБ опроверг кражу хакерами 2 млрд рублей
03.12 11:00 Глава Пентагона оценил своего преемника
03.12 10:50 Минобороны России призвало Лондон «не мешать помогать» Алеппо
03.12 10:18 Обломок «Прогресса» найден в Туве
03.12 10:07 При атаке на кампус в Огайо пострадал россиянин
03.12 09:51 Кубанская полиция освободила оператора «Дождя»
03.12 09:19 Хакеры вывели 2 млрд рублей со счетов Банка России
03.12 09:15 Греф под видом инвалида пришел в Сбербанк за кредитом
03.12 00:27 Московский арбитраж отклонил иск Минфина к Потанину
03.12 00:20 Захватчик заложников в парижском турагентстве сбежал от полиции
03.12 00:09 Патриарх Кирилл предложил вывести лапту на мировую арену
02.12 23:35 Парламенту Южной Кореи предложили начать импичмент президента
02.12 23:26 Корабль из РФ сел на мель в Мраморном море
02.12 23:19 Минобороны РФ отправило саперов разминировать восток Алеппо
02.12 23:12 Шахназаров опроверг существование цензуры в России
02.12 22:28 Стивена Хокинга положили в больницу из-за сильного недомогания
02.12 22:23 Вооруженный налетчик взял заложников в парижской турфирме
02.12 22:21 Путин сказал итальянским строителям аrrivederci
02.12 22:05 Порошенко назвал целью войны на Украине «похороны» СССР
02.12 21:47 ИП смогут сэкономить на взносах в Пенсионный фонд
02.12 21:26 Трамп и Дутерте обменялись приглашениями
Apple Boeing Facebook Google NATO PRO SCIENCE видео ProScience Театр Pussy Riot Twitter аварии на железной дороге авиакатастрофа Австралия автопром Азербайджан Александр Лукашенко Алексей Навальный алкоголь амнистия Анатолий Сердюков Ангела Меркель Антимайдан Армения армия Арсений Яценюк археология астрономия атомная энергия Афганистан Аэрофлот банковский сектор Барак Обама Башар Асад беженцы Белоруссия беспорядки бизнес биология ближневосточный конфликт болельщики «болотное дело» Борис Немцов Бразилия Великая Отечественная война Великобритания Венесуэла Верховная Рада взрыв взятка видеозаписи публичных лекций «Полит.ру» видео «Полит.ру» визовый режим Виктор Янукович «ВКонтакте» ВКС Владимир Жириновский Владимир Путин ВМФ военная авиация Вторая мировая война вузы выборы выборы губернаторов выборы мэра Москвы газовая промышленность «Газпром» генетика Генпрокуратура Германия ГИБДД гомосексуализм госбюджет Госдеп Госдума гражданская авиация Греция Гринпис Грузия гуманитарная помощь гуманитарные и социальные науки Дагестан Дальний Восток День Победы дети Дмитрий Медведев Дмитрий Песков Дмитрий Рогозин доллар Домодедово Донецк драка ДТП Евгения Васильева евро Евромайдан Евросоюз Египет ЕГЭ «Единая Россия» Екатеринбург естественные и точные науки ЖКХ журналисты закон об «иностранных агентах» законотворчество здравоохранение в России землетрясение «Зенит» Израиль Индия Индонезия инновации Интервью ученых интернет инфляция Ирак Ирак после войны Иран Иркутская область ислам «Исламское государство» Испания история История человечества Италия Йемен Казань Казахстан Канада Киев кино Китай Климат Земли, атмосферные явления КНДР Книга. Знание кораблекрушение коррупция космос КПРФ кража Краснодарский край кредиты Кремль крушение вертолета Крым крымский кризис культура Латвия ЛГБТ ЛДПР лесные пожары Ливия Литва литература Луганск Малайзия МВД МВФ медиа медицина междисциплинарные исследования Мексика Мемория метро мигранты МИД России Минздрав Минкульт Минобороны Минобрнауки Минфин Минэкономразвития Минюст мировой экономический кризис «Мистраль» Михаил Саакашвили Михаил Ходорковский МКС Молдавия Мосгорсуд Москва Московская область мошенничество музыка МЧС наводнение налоги нанотехнологии наркотики НАСА наука Наука в современной России «Нафтогаз Украины» некролог Нерусский бунт нефть Нигерия Нидерланды Нобелевская премия Новосибирск Новые технологии, инновации Нью-Йорк «Оборонсервис» образование ОБСЕ общественный транспорт общество ограбление Одесса Олимпийские игры ООН оппозиция опросы оружие отставки-назначения Пакистан Палестинская автономия пенсионная реформа Пентагон Петр Порошенко погранвойска пожар полиция Польша правительство Право «Правый сектор» преступления полицейских преступность происшествия публичные лекции Рамзан Кадыров РАН Революция в Киргизии рейтинги религия Реформа армии РЖД Роскомнадзор Роскосмос Роспотребнадзор Россельхознадзор Российская академия наук Россия Ростовская область РПЦ рубль русские националисты Санкт-Петербург санкции Саудовская Аравия Сбербанк связь связь и телекоммуникации Севастополь сельское хозяйство сепаратизм Сергей Лавров Сергей Собянин Сергей Шойгу Сирия Сколково Славянск Следственный комитет следствие Совет Федерации социальные сети Социология в России Сочи Сочи 2014 «Спартак» «Справедливая Россия» спутники СССР стихийные бедствия Стихотворения на случай стрельба суды суицид США Таиланд Татарстан театр телевидение теракт терроризм технологии транспорт туризм Турция тюрьмы и колонии убийство Украина Федеральная миграционная служба физика Финляндия ФИФА фондовая биржа Фоторепортаж Франсуа Олланд Франция ФСБ ФСИН ФСКН футбол Хабаровский край хакеры Харьков химическое оружие хоккей Центробанк Цикл бесед "Взрослые люди" Челябинская область Чечня шахты Швейцария Швеция школа шпионаж Эбола Эдвард Сноуден экология экономика экономический кризис экстремизм Южная Корея ЮКОС Юлия Тимошенко ядерное оружие Япония

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.