Ученые разработали «батарею мечты»

Мы уже как-то говорили о проблеме батарей для мобильных устройств – в отсутствии ощутимого прогресса они остаются самой архаичной частью смартфонов и планшетов. Тем не менее, технологии развиваются и в этой области, исследователи из Университета Иллинойса разработали новую литий-ионную батарею, которая в 2000 раз более мощная по сравнению с аналогами. По данным исследователей это не просто эволюционное развитие технологии, «эта технология дает нам совершенно новые возможности… она меняет привычную парадигму энергетического источника».

В настоящий момент энергетический источник это вопрос компромисса. Можно получить много мощности (Ватт) или много энергии (Ватт-в час), но невозможно получить и то и другое сразу. Суперконденсаторы могут высвобождать много энергии, но в течение нескольких секунд, топливные элементы могут хранить огромное количество энергии, но ограничены в пиковой мощности. Это существенная проблема, так как большинство современных устройств и технологи – смартфоны, носимые компьютеры, электрические автомобили – требуют много мощности и энергии. Литий-ионные батареи в настоящий момент лучшее решение для технологий, где требуется много энергии и мощности, но даже лучшие из них требуют, чтобы инженеры принимали в рассмотрение их особенности при конструкции новых устройств.

Это выводит нас на батарею Университета Иллинойса, которая имеет мощность, сравнимую с суперконденсатором, и энергию, сравнимую с существующими никель-цинковыми и литий-ионными аккумуляторами. Судя по пресс-релизу исследователей, новая батарея может позволить беспроводным устройствам передавать сигнал в 30 раз дальше – или, что возможно более полезно, быть в 30 раз меньше. Если этого недостаточно, новая батарея перезаряжаема в 1000 раз быстрее, чем обычные литий-ионные образцы. В общем, этакая батарея мечты.

Такие успехи стали возможными благодаря новой структуре катода и анода, которую и разработали исследователи Университета. По существу, стандартный литий-ионный аккумулятор имеет большой двухмерный анод, сделанный из графита, и катод, сделанный из литиевой соли. Новая батарея имеет пористые трехмерные анод и катод. Структура и ее получение показаны на рисунке ниже:

Конечным результатом является то, что пористые электроды имеют большую площадь соприкосновения, что позволяет в данном объеме увеличить химические реакции, обеспечивая большой импульс разряда и заряда. В настоящий момент исследователи использовали эту технику для создания микробатарей и на графике ниже можно увидеть, как они сравниваются с другими образцами, например с ячейкой Sony CR1620. Плотность энергии немного меньше, но плотность мощности в 2000 раз больше.

В реальном мире эта технология, вероятно, будет использоваться для потребительских устройств – представьте смартфон с батареей толщиной с кредитную карту, которую можно зарядить за секунду. Вне потребительских гаджетов батарее также найдется масса применений – в лазерах, медицинских устройствах, в других областях, где сейчас обычно используются суперконденсаторы, например в Формуле-1. Тем не менее, разработчикам еще предстоит доказать, что их технология масштабируема в больших аккумуляторах, а производственный процесс не сильно дорог для массового производства. Будем надеяться.