Все цифровые устройства, такие как плееры, смартфоны, диктофоны и другие носимые гаджеты, а также электромобили — все более совершенствуются в своих возможностях. Ограничения накладываются главным образом конечным количеством запасаемой в аккумуляторах энергии.
Смартфон, например, работает после очередной подзарядки максимум 2 дня. Вот если бы аккумуляторы улучшить, сделать их более емкими, то работу на одной зарядке можно было бы многократно продлить.
Однако смартфоны, к сожалению, развиваются в последние 10 лет значительно быстрее нежели совершенствуются технологии создания аккумуляторов. Но надежда на улучшение ситуации есть, ведь наука на месте не стоит, и в последние годы ученые начинают предлагать очень интересные новые решения. Их можно назвать технологиями аккумуляторов будущего. Давайте обратим внимание на некоторые из них.
Аккумулятором называют прибор, способный накапливать и сохранять определенное время электрическую энергию.
В отличие от гальванического элемента, который работает сразу же после изготовления, аккумулятор нужно зарядить от постороннего источника, после чего он может быть использован как самостоятельный источник тока. Поэтому аккумуляторы называются вторичными, а гальванические элементы — первичными элементами.
1. Зарядить электромобиль за 5 минут, а телефон — за 30 секунд
В 2022 году израильская компания StoreDot планирует начать выпуск аккумуляторов для электрокаров и гаджетов на основе революционной технологии литиевых аккумуляторов. Технология позволит электрокарам восстанавливать запас хода на 500 километров всего за 5 минут!
Графит, обычно применяемый в литиевых аккумуляторах, хотят заменить на особую смесь металлоидов, включающую кремний и некоторые запатентованные материалы, лишь недавно синтезированные в лаборатории компании. Процесс формирования смеси менее токсичен, а количество кобальта в батареях будет сокращено вдвое. Кстати, батареи станут при этом еще и безопаснее.
Даже само название компании «StoreDot» содержит в себе намек на крошечные биоорганические пептидные молекулы, известные как «нанодоты», которые повышают плотность хранения заряда и обеспечивают аккумуляторам на базе новой технологии быстрое поглощение и накопление энергии.
Между тем, ученым еще предстоит преодолеть некоторые технические трудности, связанные с необходимостью пропускания очень большого тока в процессе зарядки. Для этого необходима более совершенная система охлаждения кабелей и разъемов как в системе автомобиля, так и непосредственно на зарядной станции.
- Моя статья на Яндекс Дзен про литиевые аккмумляторы:
- Литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы — в чем отличие и что лучше?
- Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов:
- 2. Как подзарядить телефон от окружающего шума
Британские ученые разработали телефон, способный получать заряд просто из шума, постоянно стоящего вокруг. В основе технологии — пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрические наногенераторы сами давно в известном смысле наделали много шума. И вот теперь уже созданы специализированные генераторы такого рода, работающие на фоновом шуме, и генерирующие из него электрический ток для заряда небольших батарей. По сути телефон заряжается от шума, который во все времена просто действовал людям на нервы, а теперь он сможет приносить ощутимую пользу.
Исследователи создали особую смесь, в которую добавили оксид цинка, и просто покрыли поверхность гаджета данной смесью. Так получилась поверхность, полностью покрытая пьезоэлектрическими наностержнями — генерирующая энергию поверхность аппарата. Эти наностержни очень чувствительны к звуковым волнам и изгибаются от воздействия даже очень слабого звукового давления.
Наногенераторы преобразуют данные колебания в электрический ток, энергии которого достаточно для зарядки аккумулятора. Кроме преобразования звуковых волн шума, наногенераторы работают и от голоса, звучащего во время разговора, так что просто разговаривая по телефону пользователь уже частично восстанавливает заряд своего аккумулятора.
В продолжение темы: Как шум большого города превращается в электричество
3. Увеличить емкость аккумуляторов чистым кремнием, добытым из песка
В университете Риверсайд группа исследователей, в поисках альтернативного подхода к созданию литий-ионных аккумуляторов, решили заменить традиционный графит на обычный песок.
Изначально учеными была отмечена проблема скорой деградации наноразмерного кремния, который к тому же очень сложно получать в промышленных количествах.
После этого ученые решили попробовать применить обычный доступный песок.
Песок легко поддается очистке, к тому же его легко наносить в виде порошка. Очищенный песок намочили солью и магнием, затем подвергли нагреванию для удаления кислорода.
Так получился чистый кремний пористой структуры, который позволил увеличить емкость элемента втрое, а также повысить эффективность его использования и увеличить срок службы! Производство получается недорогим и экологически безвредным.
- Аккумуляторы из хлопка, кофейных зерен и бомбука: Углеродные аккумуляторы приходят на смену литиевым
- 4. Зарядить смартфон на ходу
- Даже самую обычную одежду можно использовать в качестве генератора электроэнергии, чуть-чуть доработав ее, считают исследователи из Университета Суррей в Манор Парк (Англия).
Они предлагают использовать так называемые трибоэлектричские наногенераторы, способные преобразовывать энергию движения поверхности одежды в электрический заряд. Генерируемое таким образом электричество можно накапливать, а затем передавать в обычный литиевый аккумулятор, либо напрямую питать им портативное устройство (плеер, телефон и т.д.).
Принципиально технология трибоэлектрических наногенераторов не имеет практических ограничений, ее можно внедрить даже в стены домов, в тротуарную плитку, в стволы и ветви деревьев, в автомобильные шины и т. д.
— всюду, где есть колебания или трение. Такая система позволила бы использовать энергию от движения всего чего угодно — для зарядки аккумуляторов ночных фонарей, гаджетов, сегвеев и тому подобных устройств.
Смотрите — Трибоэлектрический материал с упорядоченно расположенными нанотрубками
5. Передать энергию к аккумулятору в форме ультразвука
Идея передачи электрической энергии «по воздуху» не нова. Но почему бы не попробовать использовать для этой цели ультразвук? Астробиолог Мередит Перри предлагает встраивать именно ультразвуковые передатчики в элементы интерьера.
Ультразвук определенного диапазона не слышен людям и животным, поэтому звуковые волны можно вполне безопасно направить прямо на гаджет, обеспечив таким образом беспроводную зарядку.
Пластина в 5,5 мм толщиной служит в такой системе передатчиком, который автоматически включается только тогда, когда в зоне его действия находится заряжаемый гаджет. Ультразвуковая волна энергии направляется в форме сфокусированного луча и принимается плоским приемником, закрепленным на заряжаемом устройстве.
В отличие от Wi-Fi, система uBeam на ультразвуке не может преодолевать стены, зато энергия направляется очень концентрированно.
Аккумуляторы безграничного жизненного цикла
Проблема аккумуляторов любого типа — ограниченное количество жизненных циклов, то есть их можно заряжать и разряжать не бесконечное количество раз.
Хорошо бы создать такой аккумулятор, который можно было бы никогда не менять на новый, а просто перезаряжать когда это необходимо, причем делать это сколько угодно раз.
В Калифорнийском университете Ирвин создали почти такой идеальный аккумулятор!
Исследователи разработали батарею на основе нанопроводов из золота, способную выдержать до 200000 циклов заряда-разряда без снижения емкости.
Проводки тысячекратно тоньше волоса дают возможность создавать огромные площади поверхностей с достаточно высокой проводимостью. Нанопровода покрыты особой оболочкой из гелиевого электролита и диоксида марганца, что позволило получить в результате предельную стойкость к деградации.
Это решение считается одним из весьма перспективных на сегодняшний день.
7. Графен открывает новые горизонты
Компания Grabat создала аккумуляторы на базе особой формы углерода — графене. На сегодняшний день именно графеновые батареи являются лучшими из уже доступных на рынке. Они позволяют, например, проехать электрокару 750 километров на одной зарядке.
Принципиально такие батареи способны заряжаться за несколько минут и отдавать заряд в 30 раз интенсивнее чем литий-ионные предшественники. Уже сейчас такие аккумуляторы устанавливают в беспилотные летательные аппараты, кроме того они завоевывают популярность в электротранспорте и в качестве накопителей для домашних электростанций.
8. Пенные аккумуляторы обещают быть дешевыми
Инженеры компании Prieto делают ставку на твердотельные аккумуляторы, создаваемые при помощи печати и на основе медной пены с электрополимеризованным сепаратором. Фирма планирует таким образом создавать самые безопасные, дешевые, быстро заряжаемые и долго живущие аккумуляторы, плотность заряда в которых в 5 раз превзойдет современные литиевые аккумуляторы.
9. Натрий — конкурент литию
Натрий является одним из самых доступных на планете химических элементов. Натрий — шестой по распространенности элемент на Земле. Встречается в горных породах, месторождениях полезных ископаемых и морской воде.
Именно из натрия группа ученых из Японии планирует производить аккумуляторы нового типа. Здесь не нужен редкий литий, а емкость обещает быть в 7 раз выше чем у него!
Начиная с 80-х годов 19 века натрий активно исследуется как основа источников энергии, и вот теперь с использованием соли и современных технологий стало технически возможным сделать натрий-ионный аккумулятор достаточно дешевым. Однако ожидается что до начала широкой практической реализации пройдет еще несколько лет.
10. Водород для зарядки гаджетов
Недавно в продаже появились совершенно необычные умные зарядные устройства для мобильной техники на водородном топливе. Данный продукт носит название Upp.
Водород — основной химический элемент во Вселенной. Почти все космические тела — планеты, звезды и галактики — обязаны своим существованием нейтральному водороду.
Водород безопасен для окружающей среды, и в процессе зарядки с его помощью образуется лишь водяной пар. Одной водородной ячейки хватит на 5 полных зарядок среднего смартфона. На данный момент устройство не особенно востребовано в силу дороговизны, но идея представляется многим очень интересной и перспективной.
Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии
Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч.
Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут.
Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.
Графеновый аккумулятор такого же веса как литий-ионный (при 200 Вт/ч на 1 кг веса) имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Такая батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке
Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде.
Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие.
Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.
Новые разработки графеновых аккумуляторов
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.
Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.
Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение.
В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.
Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.
Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.
В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy.
Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно.
Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».
Графен — это слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке.
Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов
В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена.
Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки.
Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.
Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.
Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки.
В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.
Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств.
Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение.
По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.
2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов.
Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства.
Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.
Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.
Устройство графенового аккумулятора. Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента.
Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый. Российские исследователи заменили анод оксидом магния.
Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания.
Финансовые проблемы реализации научных достижений
Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний.
Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет.
Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.
А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто.
Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн.
сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.
И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил.
Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями.
Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.
Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа.
Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.
Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.
Что дальше?
Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности.
Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе.
Каждая из стран имеет его в изобилии.
Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока.
Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».
Шведские исследователи из Chalmers смешивают графен и серу для новых литиево-серных батареи, теоретическая плотность энергии которых примерно в пять раз выше, чем у литий-ионных.
Новая идея исследователей — пористый губчатый аэрогель, изготовленный из восстановленного оксида графена, который действует как автономный электрод в элементе батареи и позволяет лучше и более эффективно использовать серу.
Удивительные свойства графена
Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света.
В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов.
Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.
Графен – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.
Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.
Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.
Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.
Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами.
Ученые разработали самую маленькую батарею размером с пылинку
Сегодня, когда в мире существует огромное количество заболеваний, врачам нужно постоянно следить за состоянием здоровья своих пациентов. Каждый день ходить в больницу никто не захочет, поэтому в организмы людей с серьезными проблемами со здоровьем устанавливают крошечные датчики для слежения за частотой сердечных сокращений, уровнем сахара в крови и другими показателями.
Крошечные устройства нуждаются в источниках питания, но нынешние батарейки слишком большие, поэтому инженеры пытаются сделать их как можно меньше. Недавно большой прорыв в этом деле сделали немецкие ученые — они разработали источник питания, который по размерам можно сравнить с пылинкой.
На создание самой маленькой батареи в мире их вдохновила, как бы странно это не звучало, кулинария.
Разработчики новой батареи хвастаются ее минимальным размером
Самая маленькая батарея в мире
По данным технологического издания New Atlas, батарея состоит из полимерных, металлических и диэлектрических материалов. Как именно работает крошечный источник питания, авторы научной работы не рассказали. Зато они в подробностях поделились тем, как они нашли способ сделать батарею минимального размера.
Крошечная батарея сравнении с крупицей соли
Технология компоновки составных частей источника питания получила название Swiss-Roll. Созвучие с бисквитным рулетом — это не случайность.
Чтобы свести к минимуму размер батареи, исследователи наложили слои составных веществ на натянутую пластину. После того, как все элементы оказались на своем месте, пластину скрутили, будто это тесто с намазанным поверх вареньем.
Получилось что-то вроде рулета, размер которого составляет меньше одного квадратного миллиметра.
Для чего нужны маленькие батарейки?
По словам исследователей, минимальная плотность энергии в батарее равна 100 микроватт-часам на квадратный сантиметр.
Считается, что этого вполне хватит для того, чтобы питать энергией медицинские датчики для постоянного слежения за частотой сердцебиения и другими показателями пациентов.
Если верить открытым источникам, это действительно так — современные кардиостимуляторы потребляют 15-40 микроватт энергии. Примерно такое же количество электрического тока должна хватать и датчикам для слежения за уровнем кислорода в крови, контролирования сахара и так далее.
Современные кардиостимуляторы потребляют минимум энергии
Помимо медицинской техники, крошечный источник питания может пригодиться в сфере создания роботов. Исследователи напомнили, что в мире уже существуют крошечные компьютеры — небольшая батарейка размером с пылинку может питать их на протяжении 10 часов.
Одним из самых маленьких компьютеров в мире является устройство от компании Micro Mote, о котором мы уже рассказывали около пяти лет назад.
Инженеры говорили, что он будет использоваться не только внутри устройств для слежения за здоровьем людей, но и в компонентах «интернета вещей» и даже роботах.
Крошечный компьютер Micro Mote
Создан самый маленький оптический гироскоп в мире
Пример использования батарейки
В качестве примера маленького робота можно привести созданный в 2021 году летательный аппарат для сбора информации о загрязнении окружающей среды. Разработчики из американского штата Иллинойс говорили, что созданное ими устройство по размерам сравнимо с песчинкой и его можно оснастить батареей для более длительной работы.
Кажется, если американские и немецкие ученые свяжутся друг с другом, из этого проекта может выйти действительно что-то стоящее. Среди потенциальных функций крошечного летательного аппарата даже было слежение за вспышками опасных заболеваний, что на данный момент очень актуально. Подробнее об этом проекте можете почитать тут.
Самый маленький летательный аппарат
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш Telegram-канал. Там вы найдете анонсы свежих новостей нашего сайта!
Крошечная батарея может стать еще лучше
Создание крошечной батареи это хорошо, но на данный момент не ясно, насколько хорошо она работает. У скручивания компонентов в «рулет» могут быть побочные эффекты вроде небольшого срока службы и так далее. Но инженеры прекрасно понимают, что на данный момент технология недостаточно проверена и намерены продолжить работу над ее улучшением.
Созданная нами технология обладает огромным потенциалом, поэтому в будущем мы сможем создать гораздо более мощные микробатареи, — поделился руководитель проекта Оливер Шмидт (Oliver Schmidt).
Также нужно надеяться, что новая батарея будет как можно более безопасной для окружающей среды. Ведь нынешние аккумуляторы (не все) отравляют окружающую среду и поэтому их категорически не рекомендуется выбрасывать в мусорное ведро — правильнее сдать в пункты, которые есть во многих торговых центрах.
Создана самая маленькая батарея в мире
В Национальной лаборатории «Сандиа» (США) создана тестовая версия самой маленькой батареи в мире: её анод состоит из одного нанопровода, который в семь тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Для лучшего изучения характеристик такого анода перезаряжаемый литиевый аккумулятор был собран внутри просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) в Центре комплексных нанотехнологий Министерства энергетики, которым «Сандиа» управляет совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией.
По словам руководителя группы разработчиков Цзяньюя Хуана, эксперимент затеян ради исследования процессов зарядки и разрядки аккумулятора в режиме реального времени и в атомном масштабе в целях понимания фундаментальных принципов работы батарей.
Последнее имеет большое практическое значение, ибо ионно-литиевые батареи на основе нанопроволоки предлагают новые возможности для повышения мощности и плотности энергии по сравнению с более объёмными электродами.
Соответственно, более строгое изучение их операционных свойств должно привести к появлению новых поколений электромобилей, ноутбуков, мобильных телефонов и проч.
Наноматериалы уже активно используются в качестве анодов, но в массиве, а не индивидуально. По мнению г-на Хуана, это всё равно что, глядя на лес, пытаться понять особенности отдельных деревьев.
Уже упоминавшийся анод изготовлен из оксида олова. Его диаметр составляет 100 нм, а длина — 10 мкм. Катод в 3 мм длиной из оксида кобальта выглядит на его фоне чудовищем из другого мира. Конечно, не обошлось без электролита в виде ионной жидкости. Устройство позволяет непосредственно наблюдать изменения атомной структуры во время зарядки и разрядки отдельного «дерева».
Неожиданно выяснилось, что нановолокно из оксида олова почти удваивается в длину во время зарядки — гораздо больше, чем в диаметре (см. видео ниже). Этот факт поможет избежать короткого замыкания и продлить срок службы батареи. Ранее повсеместно считалось, что колебания испытывает в первую очередь диаметр.
Обнаружить этот эффект позволило наблюдение за тем, как ионы лития движутся вдоль нанопровода и создают то, что учёные окрестили «фронтом медузы», — область, где высокая плотность подвижных дислокаций заставляет нанопроволоку сгибаться и покачиваться по мере прохождения фронта.
Сеть дислокаций вызывается проникновением лития в кристаллическую решётку. «Эти наблюдения доказывают, что нанопровода могут выдержать большое давление (>10 ГПа), вызываемое литированием, без прерывания тока.
Иными словами, нанопроволока является очень хорошим кандидатом на роль электрода», — подчёркивает г-н Хуан.
Нанопроволока крутится и деформируется:
Вызываемое литированием увеличение объёма, а также деформация и измельчение электродных материалов входят в число основных механических дефектов, которые снижают производительность и срок службы анодов с большой ёмкостью.
Уровень электронного шума от системы измерений оказался слишком высок, чтобы можно было просчитать электрический ток, но соавтор исследования Джон Салливан оценивает его силу в пикоампер. Потенциал нанопроволоки при этом составлял около 3,5 в.
Понаблюдать за зарядкой и разрядкой одного нановолокна в атомном масштабе до сих пор никому не удавалось, потому что высокий вакуум в ПЭМ затрудняет использование жидкого электролита. Одним из достижений группы г-на Хуана стала демонстрация того, что ионная жидкость с низким давлением пара (по сути, расплавленная соль) может функционировать в вакууме.
Работа была проведена с использованием нанопроволоки из оксида олова, но г-н Хуан отмечает, что эксперимент может быть распространён на системы с другими материалами.
Результаты исследования опубликованы в статье:
Yet-Ming Chiang Building a Better Battery. – Science 10 December 2010: Vol. 330 no. 6010 pp. 1485–1486. DOI: 10.1126/science.1198591.
Пожалуйста, оцените статью:
Cамая маленькая батарейка
Американскими учеными из Иллинойсского университета была создана самая маленькая батарейка. Она представляет из себя прямоугольную пластинку. Каждая сторона этого элемента равна 2 мм. Энергетической емкости вполне хватит чтобы за питать миниатюрную микросхему.
Изготовить маленькую батарейку удалось за счет таких технологий как:
- 2D фотолитографии.
- 3D голографической литографии.
За счет этих двух технологий исследователям удалось увеличить поверхность электродов и выполнить оптимизацию по расположению.
Чтобы протестировать самый маленький элемент питания была сконструирована примитивная электрическая цепь. Она состояла из красного светодиода и батареи. В результате лампочка проработала целых 10 секунд. Когда было выполнено 200 циклов перезаряда емкость стала составлять от начальной 88%. Это очень хороший результат.
Где может быть использована такая батарейка?
Подобное изобретение можно применить в радио аппаратуре. Например:
- Имплантатах.
- Приводных механизмах.
- Беспроводных датчиках.
Другие ученые из США постарались и изготовили миниатюрный элемент питания еще меньших размеров. Размеры анода выполненного из оксида олова: длина 100 нанометров, а ширина 10 нанометров. Литиевый катод длиной чуть меньше 3 мм. Он находится в жидком электролите с ионизацией.
Основные плюсы этой батарейки:
- Компактность.
- Легкость.
- Неплохое КПД с перспективой к увеличению.
В будущем ученые планируют создать батарейку размером с нано частицы.
Кроме этих двух маленьких батареек существует еще одна разработка американского доцента по имени Jae Kwon. Это ядерный элемент питания, и он основан на распаде радиоактивного изотопа. Размер такой источник энергии имеет с небольшую монету. Использование такого источника энергии полностью безопасно.
Проводник у этой разработки находится в жидком состоянии. В результате этого внутренняя решетка не повреждается радиацией.
В ближайшем будущем исследователи проведут апгрейд этого источника питания. Они увеличат мощность и уменьшат размеры. Так же планируют провести тестирование с другими материалами.
- В скором времени такие батареи можно будет использовать в телефонах, ноутбуках, мп3 плеерах и другой портативной технике.
- Прослужить самая маленькая батарейка может несколько сотен лет!
Принцип действия
Он схож с солнечной панелью. Радиоактивный газ или тритий выпускает поток электронов. Они улавливаемые на кремневой пластинке. Дальше они переходят на электроды.
Распад радиоактивного вещества равен 12.5 лет. Получается, что можно будет обходится без батареек все это время!
Ученым пришлось потерпеть множество неудач прежде чем у них все получилось. Было очень сложно выловить электронный поток. Чтобы все вышло как надо пришлось сделать кремниевый улавливатель в виде не плоской 3D фигурной скобки.
В этом случае электроны стали залетать в ямки или специальные углубления. Их глубина равна 40 микрон. А размер в целом доходит до 1 микрона. Это позволяет при большом числе канавок собирать расползающиеся пучки электронов.
Таким образом самая маленькая батарейка была создана разными исследователями! И в ближайшем будущем она станет доступна обычному пользователю!
Batareykaa.ru
Загрузка...
