Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
26 апреля 2017, среда, 09:11
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

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

09:00 Около половины россиян поддержали отставку Медведева
25.04 21:03 Росимущество предложило прекратить убийство конфискованных животных
25.04 20:47 Пьяный житель Набережных Челнов избил врачей скорой помощи
25.04 20:24 Путин рассказал о ежедневном поиске способов влияния на курс рубля
25.04 20:03 Ущерб при строительстве космодрома Восточный за год составил 2,5 млрд рублей
25.04 19:48 Суд обязал метро Киева выплатить «дочке» ВЭБа 75 млн долларов
25.04 19:33 Сервис знакомств Badoo согласился передавать личные данные ФСБ
25.04 19:09 Баста попал в список невъездных украинского сайта «Миротворец»
25.04 18:40 США могут запретить европейцам летать с ноутбуками в салоне
25.04 18:34 Исламисты взяли ответственность за теракт в метро Петербурга
25.04 18:32 СИБУР открывает технологический центр в Сколково
25.04 18:17 Мединский и Неверов остались в Омске из-за неполадок при вылете
25.04 18:01 Владислав Иноземцев: сотрудничество с Китаем должно быть взаимовыгодным
25.04 17:55 Экс-депутат Госдумы Михеев заочно арестован
25.04 17:34 Роуминг внутри ЕС отменят с середины июня
25.04 17:12 Российские власти отказались оплачивать права на телепоказ ЧМ-2018
25.04 16:47 В ДНР сообщили о прибытии в Донбасс военных инструкторов из США
25.04 16:26 На улице в Энгельсе лев напал на подростка
25.04 16:21 «Почта России» закрыла все пункты коллективного доступа в интернет
25.04 16:07 Фонды из расследования ФБК о Медведеве опубликовали отчетность
25.04 15:42 Бывшего короля Таиланда кремируют через год после смерти
25.04 15:20 Демушкина осудили на 2,5 года колонии за экстремизм
25.04 15:07 Медведев призвал чиновников не вмешиваться в работу творческих людей
25.04 14:48 Украинские автовладельцы заблокировали дорогу на Словакию
25.04 14:41 Грызлов подтвердил поставки электроэнергии в ЛНР из России
25.04 14:25 В Крыму запретили строительство капитальных объектов на побережье
25.04 14:22 В Киеве рассказали о прогрессе в расследовании убийства Вороненкова
25.04 14:06 При аварии на заводе под Липецком на улицы вылились тонны фруктового сока
25.04 13:56 Верховный суд Турции отклонил иск оппозиции об отмене итогов референдума
25.04 13:47 В Петербурге задержаны пять человек по делу об изнасилованиях в детском доме
25.04 13:30 В правительстве договорились о подходе к расчету стоимости водки
25.04 13:15 Китай мог дополнительно развернуть 100-тысячную группировку у границ КНДР
25.04 12:58 ЕС после Brexit потребует от Британии 2 млрд евро за неуплату пошлин
25.04 12:55 Минюст предложил включить в рацион отбывающих административный арест по яйцу
25.04 12:34 В ЛНР рассказали о поставках электричества из России
25.04 12:24 В правительстве Турции поддержали возвращение Эрдогана к управлению партией
25.04 12:20 Обвинение попросило посадить националиста Демушкина на 2,5 года
25.04 11:55 Чайка связал упразднение Спецстроя с проверками Восточного
25.04 11:46 Новый вид муравьёв-грибников назвали в честь группы Radiohead
25.04 11:30 Минкультуры проигнорирует экспертное заключение на фильм «Матильда»
25.04 11:07 Состояние богатейших европейцев выросло на 27 млрд долларов после победы Макрона
25.04 11:04 В Таджикистане не нашли сведений о соучастнике теракта в метро
25.04 10:54 AliExpress начнет доставлять заказы в крупнейшие города России за один день‍
25.04 10:47 Пентагон трижды перехватывал российские бомбардировщики вблизи Аляски
25.04 10:16 Взрыв бомбы в пакистанском микроавтобусе унес жизни 10 человек
25.04 10:00 Сослуживец узнал голос Хмурого на переговорах по транспортировке «Бука»
25.04 09:36 Скончался переводчик Набокова и «Гарри Поттера»
25.04 09:32 Останки индейского вождя XVII века вновь обретут покой
25.04 09:29 Актера Кирилла Сафонова не пустили на Украину‍
25.04 09:13 В МИД России упразднили должность уполномоченного по правам человека
Apple Boeing Facebook Google IT NATO PRO SCIENCE видео ProScience Театр Pussy Riot Twitter аварии на железной дороге авиакатастрофа Австралия Австрия автопром администрация президента Азербайджан акции протеста Александр Лукашенко Алексей Кудрин Алексей Навальный Алексей Улюкаев алкоголь амнистия Анатолий Сердюков Ангела Меркель Антимайдан Армения армия Арсений Яценюк археология астрономия атомная энергия аукционы Афганистан Аэрофлот баллистические ракеты банковский сектор банкротство Барак Обама Башар Асад Башкирия беженцы Белоруссия Белый дом Бельгия беспорядки бизнес биология ближневосточный конфликт бокс болельщики «болотное дело» большой теннис Борис Немцов Бразилия ВВП Великая Отечественная война Великобритания Венесуэла Верховная Рада Верховный суд взрыв взятка видеозаписи публичных лекций «Полит.ру» видео «Полит.ру» визовый режим Виктор Янукович вирусы Виталий Мутко «ВКонтакте» ВКС Владивосток Владимир Жириновский Владимир Маркин Владимир Мединский Владимир Путин ВМФ военная авиация Волгоград ВТБ Вторая мировая война вузы выборы выборы губернаторов выборы мэра Москвы гаджеты газовая промышленность «Газпром» генетика Генпрокуратура Германия ГИБДД ГЛОНАСС Голливуд гомосексуализм госбюджет Госдеп Госдума госзакупки гражданская авиация Греция Гринпис Грузия гуманитарная помощь гуманитарные и социальные науки Дагестан Дальний Восток деньги День Победы дети Дмитрий Медведев Дмитрий Песков Дмитрий Рогозин доллар Домодедово Дональд Трамп Донецк допинг дороги России драка ДТП Евгения Васильева евро Евровидение Еврокомиссия Евромайдан Евросоюз Египет ЕГЭ «Единая Россия» Екатеринбург ЕСПЧ естественные и точные науки ЖКХ журналисты Забайкальский край закон об «иностранных агентах» законотворчество здравоохранение в России землетрясение «Зенит» Израиль Ингушетия Индия Индонезия инновации Интервью ученых интернет инфляция Ирак Ирак после войны Иран Иркутская область искусство ислам «Исламское государство» Испания история История человечества Италия Йемен Казань Казахстан казнь Калининград Камчатка Канада Киев кино Киргизия Китай Климат Земли, атмосферные явления КНДР Книга. Знание Компьютеры, программное обеспечение Конституционный суд Конституция кораблекрушение коррупция космодром Восточный космос КПРФ кража Краснодарский край Красноярский край кредиты Кремль крушение вертолета Крым крымский кризис Куба культура Латвия ЛГБТ ЛДПР Левада-Центр легкая атлетика лесные пожары Ливия лингвистика Литва литература Лондон Луганск Малайзия Мария Захарова МВД МВФ медиа медицина междисциплинарные исследования Мексика Мемория метро мигранты МИД России Минздрав Минкомсвязи Минкульт Минобороны Минобрнауки Минтранспорта Минтруд Минфин Минэкономразвития Минэнерго Минюст мировой экономический кризис «Мистраль» Михаил Саакашвили Михаил Ходорковский МКС Молдавия Мосгорсуд Москва Московская область мошенничество музыка МЧС наводнение Надежда Савченко налоги нанотехнологии наркотики НАСА наука Наука в современной России «Нафтогаз Украины» недвижимость некоммерческие организации некролог Нерусский бунт нефть Нигерия Нидерланды Нобелевская премия Новосибирск Новые технологии, инновации Новый год Норвегия Нью-Йорк «Оборонсервис» образование обрушение ОБСЕ общественный транспорт общество ограбление Одесса Олимпийские игры ООН оппозиция опросы оружие отставки-назначения офшор Пакистан палеонтология Палестинская автономия Папа Римский Париж ПДД педофилия пенсионная реформа Пентагон Петр Порошенко пищевая промышленность погранвойска пожар полиция Польша похищение Почта России права человека правительство Право правозащитное движение «Правый сектор» преступления полицейских преступность Приморский край происшествия публичные лекции Рамзан Кадыров РАН Революция в Киргизии Реджеп Эрдоган рейтинги религия Реформа армии РЖД ритейл Роскомнадзор Роскосмос Роспотребнадзор Россельхознадзор Российская академия наук Россия Ростов-на-Дону Ростовская область РПЦ рубль русские националисты РФС Санкт-Петербург санкции Саудовская Аравия Сахалин Сбербанк Свердловская область связь связь и телекоммуникации Севастополь сельское хозяйство сепаратизм Сербия Сергей Лавров Сергей Собянин Сергей Шойгу Сирия Сколково Славянск Следственный комитет следствие смартфоны СМИ Совбез ООН Совет по правам человека Совет Федерации сотовая связь социальные сети социология Социология в России Сочи Сочи 2014 «Спартак» спецслужбы «Справедливая Россия» спутники СССР Ставропольский край стихийные бедствия Стихотворения на случай страхование стрельба строительство суды суицид Счетная палата США Таджикистан Таиланд Татарстан театр телевидение телефонный терроризм теракт терроризм технологии транспорт туризм Турция тюрьмы и колонии убийство УЕФА Украина Условия труда ФАС Федеральная миграционная служба физика Филиппины Финляндия ФИФА фондовая биржа фоторепортаж Франсуа Олланд Франция ФСБ ФСИН ФСКН футбол Хабаровский край хакеры Харьков Хиллари Клинтон химическое оружие хоккей хулиганство Центробанк ЦИК Цикл бесед "Взрослые люди" ЦРУ ЦСКА Челябинская область Чехия Чечня ЧМ-2018 шахты Швейцария Швеция школа шоу-бизнес шпионаж Эбола эволюция Эдвард Сноуден экология экономика экономический кризис экстремизм Эстония 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.
Телефон: +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.