Нанобатареи: в 10 раз лучше обычных

Ноутбуки работают в десять раз дольше от аккумуляторов, разработанных учёными из Стэнфордского университета, чем от обычных ионно-литиевых батарей.

Учёные из Стэнфордского университета, штат Калифорния, нашли способ усовершенствовать конструкцию перезаряжаемых ионно-литиевых аккумуляторных батарей при помощи кремниевых нанопроводников, в результате чего ёмкость батарей выросла более чем в десять раз. По словам возглавлявшего исследования доцента кафедры материаловедения и технологии конструирования материалов Йи Кви (Yi Cui), благодаря их разработке ноутбук, который сегодня работает от ионно-литиевого аккумулятора в течение всего двух часов, сможет работать в течение целых двадцати часов.

Такие аккумуляторы могут применяться не только в ноутбуках, но и в мобильных телефонах, плеерах, коммуникаторах, фотоаппаратах и даже электромобилях. Кроме того, они также могут использоваться в жилых или офисных зданиях для накопления энергии от солнечных батарей.

Статья, посвящённая новой технологии, была опубликована Кви, его аспирантом Кендесом Ченом и другими учёными в журнале Nature Nanotechnology 16 декабря 2007 года под заголовком "Высокопроизводительные аноды литиевых батарей, использующие кремниевые нанопроволоку".

Суть новой разработки заключается в следующем. Одной из главных проблем современных литиевых аккумуляторов считается ограниченная способность углеродных анодов поглощать ионы лития. Кремний обладает гораздо большей ёмкостью, однако при этом кремниевые аноды быстро выходят из строя. При зарядке батареи, кремний принимает положительно заряженные ионы и растягивается почти в четыре раза, а при разрядке снова сжимается. Это приводит к тому, что кремний, находящийся в батарее в виде частиц или тонкой плёнки, просто превращается в пыль.

В разработке группы Кви эта проблема решается с помощью нанотехнологий: литий накапливается и удерживается в целом лесу из сверхтонких кремниевых нанопроволочек, каждая их которых в тысячу раз тоньше листа бумаги. Они точно так же растягиваются, поглощая ионы, и сжимаются, отдавая их, но при этом не крошатся. Нанопроволока была выращена при помощи золота в качестве катализатора непосредственно на коллекторе заряда аккумулятора, выполненного из нержавеющей стали.

Как рассказывает Чен, исследования относительно возможности использования кремния в аккумуляторных батареях начались ещё три десятилетия назад, однако учёные столкнулись с ограниченной ёмкостью и быстрым износом таких батарей. А дело было просто в том, что они использовали слишком большие формы кремния, которые не могли выдержать изменений объёма, - считает Чен.

По мнению Кви, это не просто небольшая модернизация существующей технологии, а революционная разработка. Тем не менее, поскольку существует развитая производственная инфраструктура по обработке кремния, эта технология может быть быстро внедрена в жизнь, - считает Куи. Уже подана заявка на получение патента, и Кви даже рассматривает возможность создания компании или заключения контракта с производителями аккумуляторов. По его словам, для выпуска батарей с нанопроволокой потребуется добавить к существующему технологическому процессу одну или две дополнительные операции. Для потребителя это означает, что аккумуляторы, изготовленные на её основе, могут появиться на прилавках магазинов не в отдалённом, а в самом ближайшем будущем.