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.
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.
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.
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.
