Батарею Эдисона переделали на новый лад
Трудно поверить, но в 1900 году на дорогах Америки электромобилей было больше, чем машин с бензиновым мотором. Источником питания в них были свинцово-кислотные аккумуляторы, которые выпускал Томас Эдисон. Стоили они дорого, а запаса хода хватало лишь на 50 километров.
Изобретатель верил: будущее за никель-железными батареями. Они обещали пробег в 160 километров, долгий срок службы и зарядку за семь часов — по тем временам стремительно. Но мечтам не суждено было сбыться. Ранние аккумуляторы для электромобилей так и не избавились от серьезных недостатков, а победу в итоге одержал двигатель внутреннего сгорания.
Спустя столетие ученые доработали никель-железную технологию — и, возможно, именно она станет идеальным решением для накопления возобновляемой энергии. Опытный образец заряжается за считанные секунды и выдерживает более 12 000 циклов зарядки-разрядки — это эквивалентно ежедневной подзарядке на протяжении 30 с лишним лет.
Новый аккумулятор описан в журнале Small. Он создан из крошечных кластеров металла, выращенных на белковой матрице, которые присоединены к двумерному материалу толщиной в один атом. Несмотря на инновационную начинку, технология оказалась на удивление простой и недорогой.
«Сложные нанотехнологические устройства принято считать вершиной инженерной мысли. Но наш метод удивительно прост. Мы смешиваем обычные реагенты, слегка нагреваем их и используем доступные материалы», — говорит один из авторов работы Махер Эль-Кади с факультета химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).
Подсказка из мира живой природы
Вдохновением для ученых послужили биологические процессы — формирование костей у животных или панцирей у моллюсков. И внутренний скелет, и внешний построены на белковых каркасах, на котором оседают соединения кальция. Этот механизм воспроизвели — но для наночастиц никеля и железа.
«В природе важен не только сам материал, но и то, как именно он укладывается. Белки направляют минералы, и в итоге кость получается прочной, но при этом не хрупкой, а гибкой. Способ сборки значит не меньше, чем состав», — объясняет профессор Рик Канер из UCLA, соавтор статьи.
В эксперименте белки получали из отходов мясного производства. Они служили шаблонами: на них осаждали никель для положительных электродов и железо для отрицательных. Из-за складок и впадин в структуре белка металлические кластеры вырастали не больше пяти нанометров. Это настолько мало, что в толщине человеческого волоса уместилось бы 10–20 тысяч таких частиц. Исследователям даже удалось зафиксировать единичные атомы металла.
Белки смешивали с оксидом графена — тончайшим двумерным материалом, напоминающим лист бумаги толщиной в один атом, где атомы углерода украшены «кисточками» кислорода. Обычно этот кислород мешает проводимости — материал ведет себя как изолятор. Но следующий этап все изменил.
Смесь нагревали в воде до высокой температуры под давлением, а затем запекали. Белки обугливались, превращаясь в углерод, кислород из двумерного материала улетучивался, а крошечные кластеры металлов прочно закреплялись на углеродной основе. Получился аэрогель — почти на 99% состоящий из воздуха.
Площадь поверхности как суперсила
Секрет новой технологии — в огромной площади поверхности. Чем она больше, тем активнее идут электрохимические реакции. У графенового аэрогеля благодаря его тончайшей структуре и пористости такой поверхности с избытком. А наноразмерные кластеры металла заставляют работать элементарную геометрию: чем мельче частица, тем сильнее растет отношение площади ее поверхности к объему.
«Когда мы переходим от крупных частиц к наноразмерным, площадь поверхности возрастает колоссально. Для аккумуляторов это огромное преимущество. При таком масштабе почти каждый атом участвует в реакции. Зарядка и разрядка идут намного быстрее, емкость растет, эффективность батареи взлетает», — доволен Эль-Кади.
Что дальше
По скорости зарядки и долговечности прототип превосходит современные литий-ионные батареи, но пока уступает им в емкости. А для электромобилей запас хода — решающий фактор. Поэтому разработчики рассчитывают, что аккумулятор, вдохновленный идеями Эдисона, в будущем найдет применение в других сферах.
Например, он идеально подходит для накопления излишков энергии на солнечных электростанциях днем, чтобы отдавать их в сеть ночью. Или для аварийного питания дата-центров.
«Эта технология способна продлить срок службы батарей до нескольких десятков лет. Это идеальный кандидат для хранения возобновляемой энергии или мгновенного резерва при отключении основного питания. Никаких переживаний о том, что инфраструктуру придется менять слишком часто», — заключил Эль-Кади.
Сейчас исследователи экспериментируют с другими металлами, пытаясь применить ту же нанокластерную технологию. А еще ищут замену белкам животного происхождения — например, природные полимеры. Они доступнее, дешевле и проще в масштабировании для промышленного производства.
