Анодный блюз

Пока принципиально новые технологии изготовления аккумуляторов, вроде давно обещанных спиртовых топливных элементов, одолевают тернистый путь к нашим ноутбукам и телефонам, учёные совершенствуют то, что уже есть.

Как известно, ахиллесовой пятой современных мобильных устройств являются источники питания. Даже самые популярные из аккумуляторов - литий-ионные - не позволяют расслабиться и надолго забыть о зарядке. Но пока принципиально новые технологии вроде давно обещанных спиртовых топливных элементов одолевают тернистый путь к нашим ноутбукам и телефонам, учёные совершенствуют то, что уже есть. Тем более что различные ухищрения обещают увеличить ёмкость аккумуляторов почти на порядок. Существует множество разновидностей литий-ионных аккумуляторов, использующих уникальные свойства положительных ионов самого легкого металла - лития. В каждом таком устройстве есть два электрода (анод и катод). Ионы лития движутся через электролит между ними - от анода к катоду при разряде и в противоположном направлении при заряде батареи.

В заряженном аккумуляторе литий собирается в аноде, но и катод должен вмещать не меньше лития, чтобы тому было куда деться при разряде. Для увеличения ёмкости аккумулятора необходимо, чтобы анод и катод могли запасать как можно больше лития. А для быстрой зарядки и способности отдавать большой ток нужно увеличивать площадь электродов. Кроме того, электроды лучше располагать ближе друг к другу и обеспечить высокую подвижность ионов лития в электролите. Однако при этом неизбежно возрастает ток утечки, и ускоряется деградация аккумулятора.

Сегодня в качестве анода обычно используют графит, поскольку он дёшев и из него легко сделать электроды с большой площадью микропор. Кроме того, литий хорошо внедряется в графит, почти не увеличивая его объём. Но на один атом запасенного лития в графитовом аноде требуется шесть атомов углерода. Уменьшить вес анода почти на порядок способен кремний, который может запасать больше трех атомов лития на каждый свой атом. К сожалению, кремний при этом сильно набухает, что ведет к разрушению анода всего за несколько циклов перезарядки. Но в прошлом году команде из Стэнфордского университета удалось изготовить анод из леса кремниевых нановолокон, которые способны набухать и растягиваться, не разрушаясь, обладают хорошей проводимостью и другими приемлемыми характеристиками. Если эту технологию удастся довести до массового производства, то ёмкость литий-ионных аккумуляторов будет сдерживаться только катодом.

Катод литий-ионных аккумуляторов чаще всего изготавливают из оксида кобальта-лития (LiCoO2) или оксида марганца-лития (LiMn2O4). Обычно используют первый вариант, который хоть и заметно дороже, зато обладает большей ёмкостью и служит дольше. При заряде часть лития покидает катод, а степень окисления кобальта возрастает. Катод и сегодня является главным препятствием на пути повышения ёмкости аккумуляторов.

Шотландские учёные пытаются решить проблему с катодом, разработав "дышащий" аккумулятор. Идея в том, чтобы отказаться от оксида кобальта-лития и брать кислород по мере надобности из воздуха, который станет поступать через пористый корпус устройства. Литий будет связываться в виде оксида Li2O прямо на поверхности катода, так что можно существенно уменьшить размеры аккумулятора и увеличить его ёмкость в пять-десять раз на единицу массы. Вместо оксида кобальта-лития катод можно изготавливать из более дешёвого пористого углерода с добавлением оксида марганца в качестве катализатора. Уже есть первые прототипы новых аккумуляторов, но, по оценкам экспериментаторов, пройдет не меньше пяти лет, прежде чем такие аккумуляторы появятся в продаже.

В университетах и корпорациях исследуют и множество других комбинаций материалов в качестве анодов и катодов для литий-ионных аккумуляторов. Какие-то из них обещают более быстрый заряд и разряд, другие - большую надежность, третьи - повышенный срок службы аккумулятора. Эти полезные качества в различных приложениях могут быть важнее удельной ёмкости.

Много усилий учёные и инженеры тратят на совершенствование конструкции аккумуляторов и технологии их изготовления. Особенно преуспели здесь сотрудники Массачусетского технологического института, которые недавно вывели безвредный генетически модифицированный вирус, собирающий аккумулятор из белков. Над параметрами аккумулятора ещё предстоит поработать, но первые образцы уже способны питать светодиод.

Есть и другие многообещающие разработки. К ним относятся перспективные литий-серные аккумуляторы, которые учёные пытаются довести до ума вот уже два десятилетия. Главная проблема и здесь связана с катодом, на котором литий образует ряд соединений с серой. Необходимо обеспечить хороший контакт серы с проводником катода - только в этом случае аккумулятор реализует свой потенциал. Недавно команде из Университета Ватерлоо (Канада) удалось добиться в этом заметных успехов. Электрод там изготовили из регулярного леса углеродных стержней диаметром 6,5 нм, разделённых каналами шириной 3–4 нм. Капиллярные силы затягивают расплавленную серу в пространство между стержнями, а там она застывает и усаживается, оставляя каналы для прохода ионов лития. Такой композитный материал продемонстрировал отличные показатели: большую площадь поверхности пор, хорошую стабильность и 80% теоретической ёмкости литий-серной системы.

Из еженедельника "Компьютерра" № 24 (788)