Супермощные микробатареи из США изменят мир

Супермощные микробатареи из США изменят мир

Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне разработали литий-ионный аккумулятор, который в 2000 раз превосходит по емкости сопоставимые батареи, созданные с использованием менее продвинутых технологий. По словам ученых, это не просто следующий эволюционный шаг в технологии создания аккумуляторов - это "принципиально новая высокоэффективная технология, которая ломает парадигмы разработки систем хранения энергии".
В настоящее время создателям систем хранения энергии приходится идти на множество компромиссов. Можно создать высокомощную систему (ватт) или систему повышенной емкости (ватт*час) – но выбирать можно только одно из двух. Суперконденсаторы способны высвобождать огромное количество электроэнергии, но только в течение нескольких секунд. Топливные элементы могут хранить огромное количество энергии, но их пиковая выходная мощность крайне мала. Это большая проблема, так как для решения большинство текущих задач и запитки новейших гаджетов - смартфонов и носимых компьютеров - требуется высокая мощность и большая емкость. В настоящее время литий-ионные батареи является самым оптимальным вариантом для подобных приложений. Но при использовании даже самых передовых литий-ионных аккумуляторов промышленные дизайнеры и инженеры-электронщики вынуждены идти на серьезные компромиссы при создании нового устройства.

И тут появляются батареи из Университета Иллинойса, которые имеют более высокую плотность мощности, чем суперконденсаторы. Но при этом они сопоставимы по удельной плотности энергии с текущими образцами никель-цинковых и литий-ионных батарей. Согласно пресс-релизу американского университета, новая технология позволит в 30 раз увеличить радиус действия сигнала беспроводных устройств или, что намного полезней, уменьшить габариты аккумуляторов гаджетов в те же самые 30 раз. При этом заряжать новую аккумуляторную батарею можно в 1000 раз быстрее, чем обычные литий-ионные аналоги. Короче говоря, аккумулятор-мечта.

В новый батарее используются пористый трехмерный анод и аналогичный катод

Столь впечатляющие достижения обусловлены переходом на катод и анод нового типа. Напомним, что в стандартных литий-ионных аккумуляторах обычно имеется анода из графита с двумерной структурой и катод из литиевой соли. В новой батарее используются пористый трехмерный анод и аналогичный катод. Чтобы получить новые электроды, исследователи создают базовую структуру из полистирола (пенопласта) на стеклянной подложке, осаждают электролитическим путем никель на полистирол, а затем осаждают электролитическим путем сплав олово-никель на анод и диоксида марганца на катод. На рисунке выше процесс объясняется более подробно.
В результате эти пористые электроды получают огромную площадь поверхности, что позволяет увеличить число одновременно протекающих в определенном объеме пространства химических реакций. Так достигается рекордная скорость разрядки (мощность) и зарядки. К настоящему моменту американским исследователям удалось успешно применить эту технологию для создания микробатареи размером с пуговицу.

На графике ниже вы можете увидеть, насколько эффективной получилась их батарейка в сравнении среди прочего с обычным миниатюрным элементом питания Sony CR1620 (также можно оценить плотность энерговыделения в сравнении с плотностью мощности в разрезе различных аккумуляторных технологий). Результаты нового литий-ионного аккумулятора с микроструктурированными анодом / катодом из Университета Иллинойса (разных его модификаций) соответствуют разноцветным точкам на графике. Плотность энерговыделения немного ниже по сравнению с Sony CR1620, но плотность мощности в 2000 раз больше.

Плотность энергии в сравнении с плотностью мощности

В реальном мире эта технология, вероятно, будет использоваться для оснащения потребительских устройств аккумуляторами, которые намного меньше и легче современных аналогов. Представьте себе смартфон с батареей толщиной с кредитную карту, зарядить которую можно в течение нескольких секунд. Вполне вероятно, что внедрение новой технологии не ограничится потребительской электроникой. Она может использоваться для обеспечения работоспособности лазеров и изделий медицинского назначения, а также применяться в других областях, где обычно используются суперконденсаторы.

Тем не менее, чтобы это произошло, ученым из Университета штата Иллинойс сначала придется доказать, что их технология будет коммерчески успешной. Для этого нужно создать более крупные батареи, а также оптимизировать производственный процесс.

Использованы материалы ExtremeTech

Фото: ExtremeTech ©
17.04.2013 23:33