Есть одна вещь, которую можно считать и огромным достижением, и огромной проблемой современных технологий. Это батарейка. С одной стороны, она дала нам такие возможности, о каких в недалеком прошлом никто не мог и мечтать. Ежегодно на производство элементов питания для бытовых электроприборов тратится около 50 миллиардов долларов. В то же время этот источник тока доставляет нам немало хлопот. Инженеры ломают голову, пытаясь втиснуть его в миниатюрные устройства, а миллионы людей по всему миру проклинают его маленькую емкость, когда их фотокамеры и сотовые телефоны отключаются в самый неподходящий момент.
Сегодня ученые решили полностью пересмотреть всю концепцию хранения электроэнергии. Возможно, недалек уже день, когда необходимый заряд смогут накапливать самые обыкновенные материалы – например, пластмасса или бетон. Батарейка как таковая останется в прошлом.
Пластиковый корпус вашего смартфона будет не только выполнять защитную функцию, но и обеспечивать питание аппарата. Электричество для бытовой техники в вашей квартире будут генерировать пол и стены, и даже самая обычная бумага станет элементом цепи.
Если Эмилю Гринхалю, материаловеду из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), удастся осуществить свой проект, то в первую очередь изменения произойдут в автомобилестроении. Кузова машин начнут делать не из стали, а из специальных сплавов, способных аккумулировать заряд и отдавать его двигателю. «Источником питания может стать крыша, капот или дверь», – говорит ученый.
Задание от разведки
Эта идея впервые возникла в 2003 году. К Э. Гринхалю пришли из военного ведомства с предложением разработать новый материал для беспилотных летательных аппаратов, с достаточной прочностью, чтобы выдерживать нагрузки и в то же время способный запасать энергию. Ученый тут же взял под козырек и взялся за дело.
Начать он решил со всем известного углеродного волокна, поднявшего на новый уровень аэрокосмическую промышленность. Этот материал уже давно используется для армирования пластиков, применяемых, к примеру, в пассажирских самолетах Boeing 787 Dreamliner.
Как выяснилось, композиты на его основе являются хорошими проводниками. «Мы были удивлены, узнав, что некоторые виды волокна отлично подходят на роль электродов», – рассказывает Лейф Асп, сотрудник шведского научно-исследовательского института «Свереа» (Гётеборг, Швеция).
Эмилиу Гринхалю пришла в голову мысль создать не батарейку, а суперконденсатор. Обычный гальванический элемент состоит из катода и анода, помещенных в электролит. При замыкании цепи ионы начинают двигаться в растворе, из-за разности потенциалов двух металлов возникает ток. Таким образом, в данном случае электричество хранится в химической форме. Конденсаторы же работают по-другому. В них весь заряд аккумулируется на металлических пластинах, разделенных изолирующим слоем. Емкость таких источников питания зависит от формы и размеров их обкладок.
Эмилио Гринхаль решил увеличить площадь полезной поверхности устройства, чтобы оно могло запасать больше энергии. Каждое волокно он покрыл слоем торчащих во все стороны углеродных нанотрубок и прикрепил получившиеся «волосатые макаронины» к двум плоским электродам, между которыми проложил слой стеклоткани. Всю эту конструкцию ученый заключил в корпус из полимерного каучука.
В итоге нанотрубки принесли двойную выгоду: благодаря им не только стал накапливаться больший заряд, но и повысилась прочность изделия, так как, во-первых, они обеспечили более тесную связь пластин с внешним покрытием, а во-вторых, взяли на себя роль «оттяжек», не позволяющих тонким углеродным нитям деформироваться при нагрузке. В результате получилась очень крепкая и легкая панель с удельной емкостью 1 ватт-час на килограмм, что примерно в 20 раз больше, чем у обычного конденсатора.
Сегодня Э. Гринхаль возглавляет проект под названием Storage, в котором принимают участие несколько европейских компаний, в том числе концерн Volvo. Специалисты работают над созданием электромобиля, где вместо большой и тяжелой панели, встроенной в пол будет легкий и надежный композитный суперконденсатор. Такое конструктивное решение позволит уменьшить вес транспортного средства на 15 процентов. Э. Гринхаль уверен в том, что ему удастся повысить эффективность своего изобретения, но вынужден признать, что по емкости оно, скорее всего, никогда не сможет сравниться с литиево-ионными батареями, поэтому его все равно придется комбинировать с другими источниками энергии.
Компьютеры lite
Тем не менее, технология Э. Гринхаля может улучшить характеристики гибридных автомашин, особенно тех, что снабжены системой рекуперативного торможения, которая обеспечивает превращение кинетической энергии автомобиля при его остановке, в электрическую. Суперконденсаторы способны быстро его накапливать и возвращать автомобилю во время ускорения. Это позволяет уменьшить вес и размеры основного аккумулятора, а также продлить срок его эксплуатации.
Однако некоторые члены консорциума Storage вынашивают идею полного отказа от традиционных источников питания, применяемых сегодня в электромобилях. Так, Лейф Асп предлагает придать композитную структуру самим литий-ионным элементам. А так как один из электродов в них делается из графита, то на помощь снова могут прийти углеродные волокна, поскольку они представляют собой не что иное, как графитовые нити. Ученый планирует помимо жидкого электролита использовать в новых батареях поликарбонаты и утверждает, что в итоге его изделие по энергоемкости не будет уступать существующим на сегодняшний день аккумуляторам.
Идея Л. Аспа годится для снижения веса бытовых приборов, в частности ноутбуков и сотовых телефонов и обеспечения их работы без подзарядки в течение более долгого времени. Однако новые усовершенствованные модели появятся лишь тогда, когда углепластики станут более доступными по цене. В первую очередь модернизация коснется самых дорогих продуктов на рынке электроники, и автомобили могут не попасть в эту категорию.
«По словам специалистов компании Volvo, стальные панели слишком утяжеляют кузов машины, поэтому рано или поздно нам все равно придется заменить их более легкими», – говорит Э. Гринхальд.
Кстати, как выяснилось, композитный аккумулятор можно сделать не только из дорогих высокотехнологичных материалов, но и из того, что буквально валяется под ногами. В 2007 году Гордон Берстайн и Эрек Спекерт из Кембриджского университета (Великобритания) доказали, что стены и полы зданий и даже дорожные покрытия могут сами по себе выступать в качестве огромных батареек.
Бетон содержит миллионы мельчайших пор, заполненных водой, и поэтому ведет себя как проводник второго рода (т.е. проводимость обеспечивается не электронами, а ионами). Если его поместить между стальным катодом и алюминиевым анодом, по нему потечет ток небольшой силы. Именно это наблюдали исследователи в своем опыте – до тех пор, пока коррозия не разрушила электроды (ECS Transactions, DOI: 10.1149/1.2838188).
Далее было предпринято еще несколько попыток создать бетонный элемент питания. Команда ученых из Государственного университета в Буффало (штат Нью-Йорк, США) попробовала в качестве «плюса» использовать смесь сажи и цинковую пыль, а в роли «минуса» – сажу, смешанную с порошком диоксида марганца. Эти высокодисперсные системы обеспечили лучшую связь между электродами и электролитом. Тем не менее, испытания показали, что удельная емкость всего устройства составляет всего лишь какие-то микроватт-часы на килограмм. Разработчики считают, что она может возрасти, если добавить к предложенному составу соли и полимеры (Cement and Concrete Composites, т. 32, с. 829).
Если предположить, что на строительство среднего американского дома уходит до 12 тонн бетона, а на небольшое офисное здание его требуется примерно в тысячу раз больше, можно представить себе, сколько энергии могли бы запасать полы и стены. Это было бы особенно полезно в тех случаях, когда нет возможности подключиться к обычной электросети либо требуется срочно перейти на автономный режим питания, а также когда нужно стабилизировать напряжение тока, поступающего от установленных на крыше фотоэлементов.
Некоторые предлагают задействовать для запасания электричества бумагу. Наделенная новыми свойствами, она нашла бы самое широкое применение. Батарейку, которая была бы не толще газетного листа, уже давно ждут производители электронных книг и одежды со всевозможными вшитыми в нее устройствами (например, музыкальными плеерами).
Разработку источников тока на бумажной основе, которые занимали бы минимум места в современных приборах, осуществляет компания Paper Battery (г. Трой, штат Нью-Йорк).
Электрическое оригами
Исследование специалистов из Политехнического института Ренсселира (штат Нью-Йорк) показало, что хранить энергию способен лист самой обычной целлюлозы. Ученые пропитали его раствором электролита и встроили в него массивы углеродных нанотрубок, которые взяли на себя роль электродов. Удельная емкость полученного материала составила 10 ватт-часов на килограмм. Это значит, что десяток страниц формата А4 в сумме имеют такой же заряд, как у обычной батарейки типа ААА (Proceedings of the National Academy of Sciences, т. 104, с. 13574).
Что касается Paper Battery, ее глава Шрифал Мехта не захотел рассказывать о своем изобретении в деталях. Он лишь упомянул о том, что секрет технологии заключается в особых чернилах, наносимых послойно на бумагу, – благодаря их особому составу можно получать как суперконденсаторы, так и аккумуляторы с высокой энергоемкостью.
В течение двух лет Ш. Мехта собирается наладить массовое производство своих изделий. «Мы уже ведем переговоры с заказчиками, которые в данный момент тестируют наши экспериментальные образцы», – сообщил он.
Эти супертонкие батареи, получившие название PowerWrapper, предполагается встраивать в корпуса ноутбуков и салоны автомобилей, размещать в интерьерах квартир. Проложенные под крышей или прикрепленные к внутренним и внешним стенам зданий, они будут запасать энергию, полученную от фотоэлементов и ветровых турбин, и отдавать ее по мере необходимости. В них можно завернуть все что угодно, говорит Пуликель Аджаян, один из разработчиков продукта.
Так что осторожнее ходите по бетону и не хлопайте крышкой лэптопа. Пока еще рано говорить «прощай» пальчиковой батарейке и всему ее роду, но уже сейчас стоит оказать почтение тем, казалось бы, простым и скромным материалам, которые завтра могут прийти ей на смену.
По материалам NewScientist
Джеймс Митчелл Кроу
