Секунда на зарядку

Привычка каждую ночь ставить на зарядку телефон и mp3-плеер может уйти в прошлое уже через 2–3 года, а гибридные автомобили должны стать намного приёмистей и эффективнее. Зарядить телефон по полной можно будет за несколько секунд. Правда, потреблять энергию во время зарядки он будет с мощностью электрического чайника, а ток, который при этом пойдёт из розетки, потребует провода в палец толщиной.

Профессор американского Массачусетского технологического института (MIT) бельгиец Жербран Седер и его южнокорейский аспирант Кан Бён У разработали

способ обработки электродов, который на несколько порядков повышает скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов и высвобождения из них энергии.

Раньше такую скорость разряда могли дать только конденсаторы особого типа. Однако они гораздо более капризны и весят также на порядки больше: накопление заряда в конденсаторе идёт не по всему объёму, а только вдоль поверхности обкладок, и как ни сворачивай их трубочкой, разделяющий обкладки диэлектрик занимает очень много места.

По словам авторов новой технологии, описание которой опубликовано в последнем номере Nature, её применение требует лишь незначительной модификации технологического процесса изготовления батарей, а значит, её реализация должна быть очень скорой. По оценкам Седера – два–три года.

Скорость зарядки и разрядки аккумулятора ограничивает подвижность ионов лития Li⁺ в электроде батареи. Один из лучших материалов для электрода, который широко используется в наши дни, – литий-железа фосфат LiFePO₄. Он позволяет как быстро принять ионы при зарядке, так и высвободить их во время работы аккумулятора.

Однако недостаточно быстро.

Несколько лет назад Седер и Кан посчитали теоретическую скорость, с которой LiFePO₄ должен принимать ионы лития, и она оказалась на два порядка выше той, что наблюдается в действительности.

Учёные тогда быстро выяснили, в чём дело: кристаллы LiFePO₄ быстро работают на приём и отдачу Li⁺ лишь в одном направлении ([010]). Если же ион подходит к кристаллу с другой стороны, то проникнуть внутрь гораздо сложнее; точно так же и выход иона при разрядке существенно замедляется, если кристалл повёрнут к электролиту «не той» стороной.

Частичное решение этой проблемы Кан и Седер также предложили сразу – измельчить кристаллы так, чтобы увеличить площадь контакта с электролитом и шансы на правильную ориентацию. Изготовление электрода из наночастиц LiFePO₄ размером примерно по 50 нм действительно увеличило мощность – но не на порядки.

Теперь специалисты из MIT наконец решили проблему кардинальным образом.

По их собственным словам,

они окружили каждую из наночастиц своего рода молекулярным «конвейером», который без конца мотает ионы Li⁺ вокруг кристаллов LiFePO₄, и стоит иону оказаться у нужной кристаллической поверхности, как он тут же проваливается внутрь.

Этот «конвейер» – стеклообразный пирофосфат лития Li₄P₂O₇, который слоем толщиной всего около 5 нм покрывает поверхность наночастиц литий-железа фосфата. Стеклообразный, конечно, не в том смысле, что из него можно делать линзы и пивные кружки, а в том, что это вещество не образует чёткой кристаллической структуры. В таком стеклянном контейнере ионы лития приобретают превосходную подвижность и очень быстро оказываются над нужной гранью LiFePO₄.

Элементы питания, созданные с помощью таких наночастиц со стеклянным покрытием, оказались способны хранить электроэнергию настолько хорошо, насколько позволяет теория, с удельной ёмкостью около 166 мА•ч на грамм материала. Иначе говоря, стандартный телефонный аккумулятор ёмкостью 1,5 тысячи мА•ч должен весить меньше 10 граммов.

Но главное – новые аккумуляторы почти не теряют своих способностей при сверхвысокой скорости зарядки и разрядки.

Даже в безумном по современным представлениям режиме 400 циклов в час, при котором полный заряд и разряд занимают всего 9 секунд, аккумулятор Седера и Кана способен хранить более 60 мА•ч на грамм своего веса. При этом новые батареи не теряют чудесных способностей при многократных циклах разрядки/зарядки, не портятся от пере- и недозарядки, а по своей термической стабильности даже лучше тех, что в ходу сегодня. Так что никаких взрывающихся и перегревающихся батарей в ноутбуках не предвидится.

Правда, у новой технологии есть одно слабое место – ни зарядные устройства, ни обычная квартирная проводка просто не рассчитаны на токи, которые потребуются новым батареям.

Зарядка аккумулятора на 1500 мА•ч за 9 секунд требует тока в 600А. Чтобы проводить ток в 600 ампер, нужен толстый провод, никак не похожий на тонкие жилки современных зарядных устройств. Поскольку зарядка идёт при напряжении около 4 В, то в течение 9 секунд ваш телефон будет потреблять 2,4 кВт электроэнергии. Это мощность хорошего электрического чайника – задача не для тонкого провода.

Но если мощность чайника сеть в большинстве случаев ещё выдержит, то попытка быстро подзарядить аккумулятор для ноутбука на 6000 мА•ч при напряжении 15 В выльется в потребление 36 кВт электроэнергии и, скорее всего, оставит без света весь ваш дом. О подзарядке аккумуляторов для автомобилей, тем более гибридных, лучше и не заикаться.

Тем не менее никто не заставляет испытывать пределы новой технологии быстрой зарядки. Большинство из нас, скорее всего, удовлетворит и менее экстремальный режим. Ну а о проводке пусть болит голова у тех, кому нужна максимальная мощность. Об аккумуляторах за них подумали Жербран Седер и Кан Бён У.