Батарейки с угольком

Исследователи Массачусетского технологического института (МИТ) обнаружили, что

можно на порядок увеличить емкость аккумуляторов, внедряя в них углеродные нанотрубки в качестве одного из электродов.

Их работу публикует Nature Nanotechnology .

Чтобы разработать новый материал для электрода, ученые использовали метод послойную технологию производства: исходный материал поочередно погружается в разные растворы, содержащие углеродные нанотрубки. Особенность растворов в том, что нанотрубки под действием разных органических веществ приобретают либо положительный, либо отрицательный заряд. Когда такие разноименно заряженные слои чередуются на поверхности подложки, они очень прочно связаны электростатическими силами в твердую и устойчивую пленку.

Обычные аккумуляторы (например, литиевые батарейки, чаще всего используемые в обычных портативных устройствах) состоят из трех частей: двух электродов (анода, положительного электрода, притягивающего анионы, и катода, отрицательного электрода, притягивающего катионы), разделенных электролитом, то есть материалом, пропускающим электрический ток. Простейшим электролитом является, например, раствор соли NaCl в воде.

В процессе работы литиевой батарейки положительно заряженные катионы Li⁺ движутся от анода к катоду, создавая электрический ток. При зарядке под действием подводимого со стороны электрического тока происходит обратный процесс, и катионы внедряются в пустоты пористого материала анода.

Исследователи МИТ предлагают использовать в качестве положительного электрода углеродные нанотрубки (особую форму углерода, где слои атомов свернуты в «рулоны», образующие поры нанометрового масштаба). Модифицированные нанотрубки содержат большое количество концевых групп кислорода на поверхности, что позволяет им концентрировать большее количество ионов лития и работать как положительный, а не отрицательный электрод.

Такая «электростатическая самоорганизация» ионов очень важна для работы прибора, считают авторы работы. Обычные нанотрубки имеют тенденцию собираться в «узлы» на поверхности, тем самым оставляя меньше площади для протекания реакций (которые в этой ситуации носят строго поверхностный характер). Именно внедрение органических молекул в нанотрубки позволяет добиться их структуры с необходимой степенью пористости.

Физико-химические исследования полученных углеродных наноматериалов показали, что при модификации поверхности на ней остается достаточное количество атомов азота, кислорода и водорода, что улучшает свойства электрода.

Электрохимические испытания литиевых аккумуляторов с электродом из нового гибридного материала показали, что он дает лучшие результаты и при необходимости обеспечения прибора большим количеством энергии в короткий промежуток времени, и для работы с низким энергопотреблением в течение длительного времени.

Отдача энергии на единицу массы нового электродного материала была в пять раз выше, чем для обычных батареек, а общее количество энергии – в 10 раз больше.

Хорошие результаты определяются высокой эффективностью накопления лития на поверхности нанотрубок.

Другим преимуществом таких электродов является высокая стабильность и низкая скорость старения. После тысячи циклов зарядки и разрядки тестового аккумулятора не наблюдалось заметного ухудшения его характеристик.

Толщина пленки электрода всего несколько микрометров, и улучшения в энергоснабжении видны только при высоких уровнях выходной мощности. В будущем ученые планируют разработать более толстые электродные пленки, которые бы работали и на меньших уровнях выхода.

Тем не менее уже в текущем виде электроды из углеродных нанотрубок можно использовать в небольших переносных электронных устройствах. А вот «утолщенные» электроды (толщиной хотя бы в сотни микрометров) уже смогут питать более крупные приборы, например, гибридные автомобили.

Еще один недостаток – в текущем методе производства электродов. Поочередное погружение подложки в растворы нанотрубок – довольно длительный процесс. Однако в лаборатории руководителя работы профессора Полы Хаммонд разрабатывают альтернативную технологию – напыление слоев на движущуюся ленту исходного материала. Этот процесс можно проводить непрерывно в режиме промышленного производства, а также производства более толстых пленок с большей емкостью.

«Никаких естественных пределов для таких аккумуляторов нет.

Пока нас ограничивает время нанесения одного слоя на подложку», – отметила она.

Технология напыления обещает увеличить скорость процесса в 100 раз по сравнению с технологией «погружения».

Сейчас нанотрубки производятся в ограниченных количествах, однако ряд компаний уже готовятся к массовому производству этого материала, что также позволит упростить коммерческое внедрение новых батареек.