По целому ряду причин постоянно ищутся новые способы хранения энергии, а существующие улучшаются. Мы всё больше и больше пользуемся беспроводными устройствами. Люди с надеждой смотрят на электромобили. Tesla Motors наглядно показала, что электрокары могут быть не просто средством передвижения для особо рьяных борцов за экологию, но и просто очень спортивными автомобилями. Переключать скорости для набора или сброса скорости необходимости нет, и любой водитель очень быстро привыкает к этой «бесконечной» первой передаче.
Новости об очередном прорыве в строении аккумуляторов, который изменит всю индустрию, появляются как минимум раз в месяц. Обычно учёные либо меняют конструкцию, либо пробуют новые материалы. В новом исследовании удалось реструктурировать материалы в нано-аккумулятор, а затем объединить их группу в батарею.
Любой аккумулятор состоит из двух электродов, между которыми создаётся разность потенциалов. Электроды на основе наноструктур обладают рядом полезных качеств: это большая площадь поверхности и короткое время транспортировки ионов, что позволяет хранить больше энергии и улучшить время жизни батареи, то есть она сможет удерживать заряд дольше и претерпевать больше циклов заряда-разряда. Ещё возможности к улучшению оставляет 3D-организация этих структур.
В прошлом исследователи разработали 3D-аккумуляторы путём расположения двух электродов в нанопорах из оксида алюминия, а для их разделения использовался ультратонкий изоляционный материал. Хотя полученная система имела улучшенные показатели плотности сохранения энергии, удержание заряда ограничено изоляторами, и требует усложнения схемы для протекания тока между ними. Говоря проще, удерживать положительные черты 3D-наноструктуры сложно из-за пространственных ограничений материала.
Обычно в аккумуляторах используется электролит, но нанобатареи с его использованием показали низкие показатели сохраняемого заряда. При объединении таких батарей в 3D-структурах отличия в концентрациях приводили к различиям в плотности тока. Эти ограничения удалось обойти путём совмещения обоих решений.
Новая батарея состоит из параллельно расположенных наноэлементов. Каждая из трубок содержит электроды и жидкий электролит, расположенный в порах из оксида алюминия, а сбор тока осуществляется наноструктурами из рутения (внешняя поверхность трубки) и оксида ванадия V2O5 (внутренняя поверхность). Для формирования катода и анода нанопоры покрываются, соответственно, либо слоем оксидом ванадия, либо его химически изменённой формой.
Была определена производительность как отдельных электродов (половины ячейки), так и полной структуры наноаккумулятора, содержащей оба электрода и другие элементы. У обеих конфигураций присутствуют отличные показатели сохранения энергии и жизни батареи. Каждый грамм полученной структуры может сохранять 80 мА·ч, что немного ниже существующих литиевых батарей, и после 1000 циклов зарядки-разрядки сохраняемый заряд падает всего на 20 процентов или даже меньше. Если сравнивать его с предыдущими образцами, использующими нанопоры, сохраняемый заряд увеличился втрое, а циклическая долговечность возросла на порядок.
Эти качества, как считают исследователи, вызваны коаксиальной трубчатой структурой. Её свойства были обнаружены путём сравнения сохраняемого заряда конфигураций нанотрубок из оксида ванадия и рутения и плоскостным расположением серебра и оксида ванадия. У нанотрубок показатели сохраняемого заряда оказались значительно выше.
Таким образом, было показано, что при правильном масштабировании наноструктуры могут помочь в улучшении аккумуляторных батарей. Возможно, в будущем этот вариант построения батареи станет реальным прототипом для работы в мобильных телефонах, планшетных компьютерах и других портативных устройствах.
По материаламArs Technica. DOI: 10.1038/NNANO.2014.247.
Автор: FakeFactFelis
