Американские ученые продлили работу телефонных батарей в десять раз

Описание открытия, сделанного группой физиков из Массачусетского технологического университета, приводится на страницах журнала Nature nanotechnology. Исследователи пишут, что построенные с использованием углеродных нанотрубок электроды смогли выдержать в 10 раз больший ток по сравнению с обычными батареями, а емкость на единицу массы у новых аккумуляторов поднялась впятеро.

Кому нужен литий?

За последние полтора десятка лет литий превратился из сравнительно малоизвестного элемента в вещество, которое используется в каждом доме. У большинства читателей устройства, не работавшие бы без этого металла, на момент прочтения статьи будут лежать если не в кармане, то где-то рядом. На основе лития делают аккумуляторы для телефонов, а также для ноутбуков, фотоаппаратов, детских игрушек и прочей техники, которой надо долгое время работать без подключения к розетке.

Почему именно литий, а не, к примеру, никель, из которого также делают аккумуляторы? Почему не свинец, знакомый многим по автомобильным аккумуляторам? Причина в том, что всякий аккумулятор основан на использовании химических реакций, протекающих с выделением или поглощением электричества или, если говорить более корректно, требующих переноса электрического заряда между теми веществами, из которых сделаны электроды батареи.

Протекающие при заряде аккумулятора реакции лития с углеродом таковы, что с батареи можно снять сразу 3,6 вольт (вместо, к примеру, тех 1,5 В что даст пальчиковая батарейка) при довольно внушительном токе. Этим решаются сразу две задачи — во-первых, для получения большего напряжения не надо соединять вместе множество батарей последовательно, а во-вторых для получения большего тока не надо соединять батареи параллельно. Но это еще не все, особенности физико-химических свойств электродов в литиевых аккумуляторах вдобавок позволяют накапливать большую энергию, то есть литиевая батарея еще и проработает дольше своих предшественников.

Хорошие показатели литиевых аккумуляторов позволили им стать лидерами на рынке – иных устройств в новых сотовых телефонах или ноутбуках уже практически и не найти. Но хотелось бы большего: кто откажется от возможности носить мобильник без подзарядки не три дня, а две-три недели? Да и «научить» выдавать больший ток было бы нелишним, тогда можно было бы сразу решить и многие проблемы с конструированием электромобилей, для хорошей динамики которых как раз нужна большая мощность.

Нанотех

Сам по себе литиевый аккумулятор (даже «обычный») — тоже продукт высоких технологий. Первый коммерческий образец появился лишь в 1991 году. Создание надежной батареи с приличными потребительскими качествами (кому нужно высокоемкое, но дорогостоящее устройство, которое вдобавок крайне капризно и иногда самовозгорается?) потребовало долгих и кропотливых исследований в области электрохимии и материаловедения.

А современное материаловедение по сути как раз и есть «нанотехнологии». Они позволяют создать структуры сверхмалых размеров манипуляции с веществом. Свойства одного и того же вещества могут радикально отличаться в случае цельного куска, тончайшего порошка или губки с огромной внутренней поверхностью пор. В новой батареи, о которой пишут ученые из MIT, вместо обычного углеродного электрода используются нанотрубки, причем не простые, а собранные в упорядоченную структуру с большим количеством промежутков между собой.

Увеличение промежутков между нанотрубками, как поясняют ученые, было основной проблемой— обычно нанотрубки стремятся слипнуться, и добиться пористой структуры оказалось непросто. Но итог работ оправдал затраченные усилия. Новая наноструктура резко увеличила внутреннюю площадь электродов.

А это, в свою очередь, позволило поднять как максимальный ток, так и емкость батареи. Опытный образец, изготовленный исследователями, по своей способности выдавать мощные импульсы тока без вреда для себя приблизился к конденсаторам, превзойдя при этом обычные литиевые аккумуляторы по емкости. На практике это будет означать не только большее время работы мобильной электроники, но и возможность использовать новинку в других сферах— от радиоуправляемых моделей до полноценных автомобилей.