Нанобатарейки: революція в «зеленій» енергетиці

Нанобатарейки: революція в «зеленій» енергетиці

Мале стає великим, коли мова йде про мініатюрні батарейки, здатні забезпечити енергією автомобілі, будинки і персональну електроніку. Нанобатарейки, у 80 тисяч разів тонші за людську волосину, — дійсно багатообіцяюча перспектива. Вони могли б сприяти поширенню електротранспорту, сучасних акумуляторів якого не вистачає на довгі поїздки, а також поновлюваної енергетики, ефективність якої страждає від браку технологій запасання енергії для часів, коли вітер не дме і сонце не світить.

Останній прорив: досягнута межа мініатюризації, якою стали «нанопори». Це отвори в керамічній пластині, товщина якої не більша за крупинку солі, але вона містить усі необхідні компоненти батареї, щоб виробляти електричний струм. Мільярд таких отворів, з'єднаних у вигляді стільників, може поміститись на поштовій марці.

Крихітна батарейка працює. Цей пристрій повністю заряджається за 12 хвилин і перезаряджається тисячі разів, розповідають дослідники з Мерілендського університету. «Ми були вражені досягнутими результатами», — говорить співавтор дослідження Елеонора Жилетт, докторант з хімії. Таке швидке заряджання вона пов'язує з тим, що електричний струм проходить вкрай короткі відстані. На її думку, нанотехнології можуть дозволити виробникам втиснути більше батарейок в обмежений простір.

«Це схоже на великий крок вперед», — говорить Джордж Крабтрі, директор Об'єднаного центру з досліджень зберігання енергії Аргонської національної лабораторії. За його словами, нанопори пропонують декілька переваг. Оскільки вони ідентичні, дослідники — як тільки вони визначать оптимальні розміри — зможуть гарантувати стабільні результати, що зробить використання технології ще більш перспективним.

Революційна батарейка, як і інші останні досягнення в області нанотехнологій, ще десять років тому були неможливими. Хоча галузь розвивається вже 15 років, досі її не застосовували для вирішення проблеми зберігання енергії. За словами Крабтрі, це може відкрити двері до радикальних змін, таких необхідних у світі акумуляторів.

Чому потрібні кращі батарейки?

Ставки величезні. Електротранспорт та відновлювані джерела енергії, запропоновані як вирішення проблеми зміни клімату, потребують дешевших і кращих акумуляторів для того, щоб отримати більш широке застосування. Щоб перейти на нестабільні джерела енергії, такі як вітер або сонце, комунальні підприємства повинні мати резервний запас енергії.

Університети, стартапи та великі компанії, такі як GE, IBM і Toyota, наввипередки створюють батарею, яка б вийшла за рамки поступового покращення продуктивності літій-іонного акумулятора — промислового лідера, який був розроблений в 1970-их роках і вийшов на ринок 20 років потому.

Дослідники, частина яких фінансується Міністерством енергетики США, працюють над розробкою або вдосконаленням декількох типів батарей, які виробляють електрику за допомогою хімічних реакцій. Більшість батарей мають три основні частини: електроліт, який забезпечує рух носіїв заряду, анод, який їх вивільняє, і катод, який їх отримує.

Використовуючи нанорозмірні матеріали та конструкції, вчені намагаються визначити оптимальні комбінації на молекулярному рівні. Позаторік, наприклад, вчені з Південно-Каліфорнійського університету розробили новий літій-іонний акумулятор, який використовує пористі наночастинки кремнію замість традиційних графітових анодів. За словами дослідників, їх батарея зберігає втричі більше енергії, ніж аналогічні конструкції на основі графіту, і перезаряджається протягом десяти хвилин.

Від ідеї до ринку

Комерціалізація наукових досліджень не відбудеться легко чи швидко. Багато матеріалів та конструкцій, які використовуються в нанобатареях, сьогодні занадто дорогі, щоб використовувати їх за межами лабораторій. Крім того, низькі ціни на нафту та газ зменшують попит на поновлювані джерела енергії, такі як вітер і сонце, а саме їм потрібні резервні батареї масштабу електромережі.

«Сьогодні важко конкурувати з нафтою і газом. Проблема певною мірою економічна», — говорить Джеймс Тур, професор матеріалознавства та наноінженерії з Університету Райса в Х'юстоні, штат Техас. Його команда створила матеріал, який складається з лісу вуглецевих нанотрубок, вирощених на пластині графена, які могли б істотно покращити зберігання енергії.

Дві компанії — Xidex, яка базується в Техасі, та розташована в Ізраїлі Graphite Corporation, — розробляють батарею на основі технології Університету Райса, яка дозволяє повністю зарядити смартфон за декілька хвилин. «Вона може вийти на ринок протягом трьох років», — говорить Тур.

Професор Стенфордського університету Йі Куї вважає, що може знадобитись від трьох до п'яти років, щоб комерціалізувати новий тип батареї, створений його командою, яка включає в себе колишнього міністра енергетики США Стівена Чу. Їх батарея, розрекламована як «чисто літійна», використовує літій не лише в електроліті, але й в аноді, який зазвичай роблять з графіту або кремнію.

Лабораторія Куї знайшла рішення відомої проблеми: літій, будучи присутнім в аноді, може розширюватись під час зарядки більше, ніж інші матеріали, і навіть поглинути електроліт. Щоб запобігти цьому, вчені побудували «наносфери» — мікроскопічну гнучку плівку зі стільниковою структурою, яка запобігає проходженню небажаних реакцій та захищає літій. На думку Чу, їх батарея може потроїти час роботи акумулятора мобільного телефону і дати електромобілям майже 500 кілометрів ходу.

Куї має досвід комерціалізації своєї роботи. Щоб продати новий тип довгограючого літій-іонного акумулятора, він заснував Amprius, стартап в Силіконовій долині, серед членів ради якого присутній і Чу.

Щоб вивести на ринок літій-іонний акумулятор, розроблений в 1970-их роках, знадобилось два десятиліття, але на думку Крабтрі сучасний акцент на енергозбереженні — в поєднанні з перевагами, які дає нанонаука — може прискорити цей процес до 5-10 років. «Зараз дійсно сприятливий момент, — говорить він. — Це можливість прискорити темпи інновацій».

X

Вхід

Завантажую...