22 августа 2019, четверг, 02:11
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

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

21.08 18:06 Производитель SSJ-100 обосновал дороговизну перелетов
21.08 17:50 Минпросвещения подсчитало будущих первоклассников
21.08 17:32 Сергей Собянин пообещал поднять москвичам пенсию
21.08 17:13 Ущерб от лесных пожаров в России достиг 7 млрд рублей
21.08 16:50 Аэропорт Пулково пригрозил отказом в обслуживании «России»
21.08 16:28 Анастасия Волочкова рассказала о романе с Николаем Басковым
21.08 16:05 Администрация Трампа оценила Гренландию в 600 млн долларов
21.08 15:47 Либертарианская партия подала заявку на шествие в Москве 31 августа
21.08 15:24 Макрон обусловил возрождение G8 ситуацией на Украине
21.08 15:03 Алексей Кудрин счел беспрецедентным применение силы на митингах в Москве
21.08 14:53 Минпросвещения разрешило школам самостоятельно определить дату начала занятий
21.08 14:01 Провластные эксперты подготовили проект первого в России кодекса о выборах
21.08 13:45 Мосгорсуд счел законным отказ Мосгоризбиркома в регистрации Гудкова
21.08 13:19 Незарегистрированного кандидата в Мосгордуму Юлию Галямину вновь задержали
21.08 12:58 Интерфакс: Россия может выдать Украине пять граждан
21.08 12:33 Столичные власти объяснили частый ремонт дорог заботой о москвичах
21.08 12:14 Основатель Музея русской иконы Михаил Абрамов погиб в авиакатастрофе
21.08 11:41 Собянин поручил главе ЦИК отработать жалобы по выборам в Мосгордуму
21.08 11:30 Аппарат Europa Clipper планируют запустить в космос в 2025 году
21.08 11:20 Криштиану Роналду назвал срок завершения карьеры
21.08 11:08 Опрос ВЦИОМ показал нелюбовь россиян к фотографированию
21.08 10:59 Россиянки рассказали, чего им не хватает для счастья
21.08 10:55 Против полицейских в Ингушетии возбудили дела за отказ разогнать митинг
21.08 10:30 Фрагменты бронзового военного диплома нашли в древнем городе в Болгарии
21.08 10:24 Двигатель «президентских» автомобилей Aurus переделают для самолетов
21.08 10:20 Депутат Госдумы предложил учредить «первосентябрьский капитал»
21.08 09:59 Самолет «Уральских авиалиний» экстренно сел в Оренбурге из-за приступа у ребенка
21.08 09:46 ФАС объяснила дороговизну билетов на самолеты SSJ100
21.08 09:32 Росгвардия предложила дать инкассаторам право на поимку грабителей
21.08 09:30 На юге Франции найдена гробница времен Меровингов
21.08 09:16 ЦБ РФ пригласил банки стран ЕАЭС объединить свои сервисы
21.08 08:59 РЖД потратят 2,5 млрд рублей на дорогу к новому саратовскому аэропорту
21.08 08:46 Макрон поддержал идею Трампа позвать Путина на саммит G7
21.08 08:31 Треть выданных россиянам микрокредитов оказались просроченными
21.08 08:16 Трамп отменил визит в Данию из-за ее отказа продать Гренландию
21.08 07:59 Росавиация составила план по предотвращению столкновений самолетов с птицами
21.08 07:45 Пятигорские полицейские выдумали притон ради повышения раскрываемости
21.08 07:33 Рогозин объяснил пользу Илона Маска для «Роскосмоса»
21.08 07:12 Киану Ривз и Кэрри-Энн Мосс сыграют в четвертой части «Матрицы»
21.08 06:58 Роскачество предложило запрещать продажу товаров с неверно указанным составом
21.08 06:46 Росстат назвал отрасли с самыми высокими зарплатами в июне
21.08 06:31 Пассажиры севшего на подмосковное поле A321 начали получать компенсации
21.08 06:16 Собянин пообещал сделать бесплатными пересадки между МЦД и метро
21.08 05:59 Росстат оценил затраты россиян на покупку алкоголя и сигарет
21.08 05:45 В России начали дорожать автомобили из-за отсутствия бюджетных льгот
21.08 05:32 «Ъ»: следствие признало сестер Хачатурян жертвами собственного отца
21.08 05:15 Mastercard создает сервис перевода денег за границу по номеру телефона
20.08 21:04 Стали известны участники конкурсов телефильмов и детского кино "Киношока"
20.08 18:53 Вылетевший в Мюнхен самолет вернулся обратно в Пулково
20.08 18:35 Вертолет с россиянами на борту разбился на острове в Греции
«АвтоВАЗ» «ВКонтакте» «Газпром» «Зенит» «Мемориал» «Мистраль» «Оборонсервис» «Роснефть» «Спартак» «Яблоко» Абхазия Австралия Австрия Азербайджан Антимайдан Аргентина Арктика Армения Афганистан Аэрофлот Башкирия Белоруссия Бельгия Бразилия ВВП ВКС ВМФ ВПК ВТБ ВЦИОМ Ватикан Великобритания Венгрия Венесуэла Владивосток Внуково Волгоград ГИБДД ГЛОНАСС Генпрокуратура Германия Голливуд Госдеп Госдума Греция Гринпис Грузия ДТП Дагестан Домодедово Донецк ЕГЭ ЕСПЧ Евровидение Еврокомиссия Евромайдан Евросоюз Египет Екатеринбург ЖКХ Израиль Ингушетия Индия Индонезия Интерпол Ирак Иран Испания Италия Йемен КНДР КПРФ Казань Казахстан Калининград Камчатка Канада Каталония Кемерово Киев Киргизия Китай Коми Конституция Кремль Крым Куба Курилы ЛГБТ ЛДПР Латвия Ливия Литва Лондон Луганск МВД МВФ МГУ МКС МОК МЧС Малайзия Мексика Минздрав Минкомсвязи Минкульт Минобороны Минобрнауки Минпромторг Минсельхоз Минск Минтранспорта Минтруд Минфин Минэкономразвития Минэнерго Минюст Молдавия Мосгордума Мосгорсуд Москва НАСА Нигерия Нидерланды Новосибирск Норвегия ОБСЕ ООН ОПЕК Одесса ПДД Пакистан Паралимпиада Париж Пентагон Польша Приморье РАН РЖД РПЦ РФС Росавиация Роскомнадзор Роскосмос Роспотребнадзор Россельхознадзор Россия Росстат СМИ СССР США Сахалин Сбербанк Севастополь Сербия Сирия Сколково Славянск Сочи Таджикистан Таиланд Татарстан Трансаэро Турция УЕФА Узбекистан Украина ФАС ФБР ФИФА ФСБ ФСИН ФСКН Филиппины Финляндия Франция Харьков ЦИК ЦРУ ЦСКА Центробанк Чехия Чечня Швейцария Швеция Шереметьево Эбола Эстония ЮКОС Якутия Яндекс Япония авиакатастрофа автопром алкоголь амнистия армия археология астрономия аукционы банкротство беженцы бензин беспилотник беспорядки биатлон бизнес бокс болельщики вандализм взрыв взятка вирусы вузы выборы гаджеты генетика гомосексуализм госбюджет госзакупки госизмена деньги дети доллар допинг драка евро журналисты законотворчество землетрясение импорт инвестиции инновации интернет инфляция ипотека искусство ислам исследования история казнь кино кораблекрушение коррупция космос кража кредиты культура лингвистика литература медиа медицина метро мигранты монархия мошенничество музыка наводнение налоги нанотехнологии наркотики наука недвижимость некролог нефть образование обрушение общество ограбление оппозиция опросы оружие офшор палеонтология педофилия пенсия пиратство планетология погранвойска пожар полиция похищение правительство право православие преступность продовольствие происшествия ракета рейтинги реклама религия ретейл рубль санкции связь сепаратизм следствие смартфоны социология спецслужбы спутники страхование стрельба строительство суды суицид тарифы театр телевидение теракт терроризм технологии транспорт туризм убийство фармакология физика фоторепортаж футбол хакеры химия хоккей хулиганство цензура школа шпионаж экология экономика экспорт экстремизм этология «Единая Россия» «Исламское государство» «Нафтогаз Украины» «Правый сектор» «Северный поток» «Справедливая Россия» «болотное дело» Александр Лукашенко Александр Новак Александр Турчинов Алексей Кудрин Алексей Навальный Алексей Улюкаев Амурская область Анатолий Сердюков Ангела Меркель Антон Силуанов Аркадий Дворкович Арсений Яценюк Барак Обама Басманный суд Башар Асад Белый дом Борис Немцов Валентина Матвиенко Верховная Рада Верховный суд Виктор Янукович Виталий Мутко Владимир Жириновский Владимир Зеленский Владимир Маркин Владимир Мединский Владимир Путин Вячеслав Володин Дальний Восток День Победы Дмитрий Медведев Дмитрий Песков Дмитрий Рогозин Дональд Трамп Евгения Васильева Забайкальский край Интервью ученых Ирина Яровая Иркутская область История человечества Кирилл Серебренников Конституционный суд Космодром Байконур Краснодарский край Красноярский край Ксения Собчак Ленинградская область МИД России Мария Захарова Михаил Прохоров Михаил Саакашвили Михаил Ходорковский Московская область Мурманская область Надежда Савченко Николас Мадуро Нобелевская премия Новосибирская область Новый год Олимпийские игры Ольга Голодец Павел Дуров Палестинская автономия Папа Римский Первый канал Пермский край Петр Порошенко Почта России Приморский край Рамзан Кадыров Реджеп Эрдоган Республика Карелия Ростовская область Саратовская область Саудовская Аравия Свердловская область Сергей Лавров Сергей Нарышкин Сергей Полонский Сергей Собянин Сергей Шойгу Следственный комитет Совбез ООН Совет Федерации Ставропольский край Счетная палата Тереза Мэй Франсуа Олланд Хабаровский край Хиллари Клинтон Человек дня Челябинская область Черное море Эдвард Сноуден Элла Памфилова Эльвира Набиуллина Южная Корея Юлия Тимошенко Юрий Чайка авторское право администрация президента акции протеста атомная энергия баллистические ракеты банковский сектор биология большой теннис визовый режим военная авиация выборы губернаторов газовая промышленность гражданская авиация гуманитарная помощь декларации чиновников дороги России информационные технологии климат Земли компьютерная безопасность космодром Восточный крушение вертолета легкая атлетика лесные пожары междисциплинарные исследования мобильные приложения морской транспорт некоммерческие организации общественный транспорт патриарх Кирилл пенсионная реформа пищевая промышленность права человека правозащитное движение преступления полицейских публичные лекции российское гражданство русские националисты русский язык сельское хозяйство сотовая связь социальные сети стихийные бедствия телефонный терроризм уголовный кодекс фигурное катание финансовый рынок фондовая биржа химическое оружие эволюция экономический кризис ядерное оружие Великая Отечественная война Вторая мировая война Ирак после войны Ким Чен Ын Революция в Киргизии Российская академия наук Стихотворения на случай Федеральная миграционная служба Федеральная таможенная служба борьба с курением выборы мэра Москвы здравоохранение в России связь и телекоммуникации тюрьмы и колонии Совет по правам человека аварии на железной дороге естественные и точные науки закон об «иностранных агентах» компьютеры и программное обеспечение видеозаписи публичных лекций «Полит.ру» Новые технологии, инновации Сочи 2014 Кабардино-Балкария Левада-Центр Нью-Йорк Санкт-Петербург отставки-назначения шоу-бизнес Ростов-на-Дону ЧМ-2018 Книга. Знание ВИЧ/СПИД Apple Bitcoin Boeing Facebook G20 Google iPhone IT NATO PRO SCIENCE видео ProScience Театр Pussy Riot Telegram Twitter Wikileaks

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. 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, 1998–2019.