ѕрощай, Energizer

ѕрощай, Energizer

≈сть одна вещь, которую можно считать и огромным достижением, и огромной проблемой современных технологий. Ёто батарейка. — одной стороны, она дала нам такие возможности, о каких в недалеком прошлом никто не мог и мечтать. ≈жегодно на производство элементов питани€ дл€ бытовых электроприборов тратитс€ около 50 миллиардов долларов. ¬ то же врем€ этот источник тока доставл€ет нам немало хлопот. »нженеры ломают голову, пыта€сь втиснуть его в миниатюрные устройства, а миллионы людей по всему миру проклинают его маленькую емкость, когда их фотокамеры и сотовые телефоны отключаютс€ в самый неподход€щий момент.

—егодн€ ученые решили полностью пересмотреть всю концепцию хранени€ электроэнергии. ¬озможно, недалек уже день, когда необходимый зар€д смогут накапливать самые обыкновенные материалы – например, пластмасса или бетон. Ѕатарейка как такова€ останетс€ в прошлом.

ѕластиковый корпус вашего смартфона будет не только выполн€ть защитную функцию, но и обеспечивать питание аппарата. Ёлектричество дл€ бытовой техники в вашей квартире будут генерировать пол и стены, и даже сама€ обычна€ бумага станет элементом цепи.

≈сли Ёмилю √ринхалю, материаловеду из »мперского колледжа Ћондона (¬еликобритани€), удастс€ осуществить свой проект, то в первую очередь изменени€ произойдут в автомобилестроении.  узова машин начнут делать не из стали, а из специальных сплавов, способных аккумулировать зар€д и отдавать его двигателю.

«»сточником питани€ может стать крыша, капот или дверь», – говорит ученый.

«адание от разведки

Ёта иде€ впервые возникла в 2003 году.   √ринхалю пришли из военного ведомства с предложением разработать новый материал дл€ беспилотных летательных аппаратов, с достаточной прочностью, чтобы выдерживать нагрузки и в то же врем€ способный запасать энергию. ”ченый тут же вз€л под козырек и вз€лс€ за дело.

Ќачать он решил со всем известного углеродного волокна, подн€вшего на новый уровень аэрокосмическую промышленность. Ётот материал уже давно используетс€ дл€ армировани€ пластиков, примен€емых, к примеру, в пассажирских самолетах Boeing 787 Dreamliner.  ак вы€снилось, композиты на его основе €вл€ютс€ хорошими проводниками. «ћы были удивлены, узнав, что некоторые виды волокна отлично подход€т на роль электродов», – рассказывает Ћейф јсп, сотрудник шведского научно-исследовательского института «—вереа» (√Єтеборг, Ўвеци€).

√ринхалю пришла в голову мысль создать не батарейку, а суперконденсатор. ќбычный гальванический элемент состоит из катода и анода, помещенных в электролит. ѕри замыкании цепи ионы начинают двигатьс€ в растворе, из-за разности потенциалов двух металлов возникает ток. “аким образом, в данном случае электричество хранитс€ в химической форме.  онденсаторы же работают по-другому. ¬ них весь зар€д аккумулируетс€ на металлических пластинах, разделенных изолирующим слоем. ≈мкость таких источников питани€ зависит от формы и размеров их обкладок.

√ринхаль решил увеличить площадь полезной поверхности устройства, чтобы оно могло запасать больше энергии.  аждое волокно он покрыл слоем торчащих во все стороны углеродных нанотрубок и прикрепил получившиес€ «волосатые макаронины» к двум плоским электродам, между которыми проложил слой стеклоткани. ¬сю эту конструкцию ученый заключил в корпус из полимерного каучука.

¬ итоге нанотрубки принесли двойную выгоду: благодар€ им не только стал накапливатьс€ больший зар€д, но и повысилась прочность издели€, так как, во-первых, они обеспечили более тесную св€зь пластин с внешним покрытием, а во-вторых, вз€ли на себ€ роль «отт€жек», не позвол€ющих тонким углеродным нит€м деформироватьс€ при нагрузке. ¬ результате получилась очень крепка€ и легка€ панель с удельной емкостью 1 ватт-час на килограмм, что примерно в 20 раз меньше, чем у обычного суперконденсатора.

—егодн€ √ринхаль возглавл€ет проект под названием Storage, в котором принимают участие несколько европейских компаний, в том числе концерн «¬ольво». —пециалисты работают над созданием электромобил€, где вместо большой стальной панели, встроенной в пол – композитный суперконденсатор. “акое конструктивное решение позволит уменьшить вес транспортного средства на 15 процентов. √ринхаль уверен в том, что ему удастс€ повысить эффективность своего изобретени€, но вынужден признать, что по емкости оно, скорее всего, никогда не сможет сравнитьс€ с литиево-ионными батаре€ми, поэтому его все равно придетс€ комбинировать с другими источниками энергии.

 омпьютеры лайт

“ем не менее технологи€ √ринхал€ может улучшить характеристики гибридных автомашин, особенно тех, что снабжены системой рекуперативного торможени€, котора€ обеспечивает превращение кинетической энергии автомобил€ при его остановке, в электрическую. —уперконденсаторы способны быстро его накапливать и возвращать автомобилю во врем€ ускорени€. Ёто позвол€ет уменьшить вес и размеры основного аккумул€тора, а также продлить срок его эксплуатации.

ќднако некоторые члены консорциума Storage вынашивают идею полного отказа от традиционных источников питани€, примен€емых сегодн€ в электромобил€х. јсп предлагает придать композитную структуру самим литий-ионным элементам. ј так как один из электродов в них делаетс€ из графита, то на помощь снова могут прийти углеродные волокна, поскольку они представл€ют собой не что иное, как графитовые нити. ”ченый планирует помимо жидкого электролита использовать в новых батаре€х поликарбонаты и утверждает, что в итоге его изделие по энергоемкости не будет уступать существующим на сегодн€шний день аккумул€торам.

»де€ јспа годитс€ дл€ снижени€ веса бытовых приборов, в частности ноутбуков и сотовых телефонов и обеспечени€ их работы без подзар€дки в течение более долгого времени. ќднако новые усовершенствованные модели по€в€тс€ лишь тогда, когда углепластики станут более доступными по цене. ¬ первую очередь модернизаци€ коснетс€ самых дорогих продуктов на рынке электроники, и автомобили могут не попасть в эту категорию. «ѕо словам специалистов компании “¬ольво”, стальные панели слишком ут€жел€ют кузов машины, поэтому рано или поздно нам все равно придетс€ заменить их более легкими», – говорит √ринхальд.

 стати, как вы€снилось, композитный аккумул€тор можно сделать не только из дорогих высокотехнологичных материалов, но и из того, что буквально вал€етс€ под ногами.

¬ 2007 году √ордон Ѕерстайн и Ёрек —пекерт из  ембриджского университета (¬еликобритани€) доказали, что стены и полы зданий и даже дорожные покрыти€ могут сами по себе выступать в качестве огромных батареек.

Ѕетон содержит миллионы мельчайших пор, заполненных водой, и поэтому ведет себ€ как проводник второго рода (т.е. проводимость обеспечиваетс€ не электронами, а ионами). ≈сли его поместить между стальным катодом и алюминиевым анодом, по нему потечет ток небольшой силы. »менно это наблюдали исследователи в своем опыте – до тех пор, пока коррози€ не разрушила электроды (ECS Transactions, DOI: 10.1149/1.2838188).

ƒалее было предприн€то еще несколько попыток создать бетонный элемент питани€.  оманда ученых из √осударственного университета в Ѕуффало (штат Ќью-…орк, —Ўј) попробовала в качестве «плюса» использовать смесь сажи и цинковую пыль, а в роли «минуса» – сажу, смешанную с порошком диоксида марганца. Ёти высокодисперсные системы обеспечили лучшую св€зь между электродами и электролитом. “ем не менее испытани€ показали, что удельна€ емкость всего устройства составл€ет всего лишь какие-то микроватт-часы на килограмм. –азработчики считают, что она может возрасти, если добавить к предложенному составу соли и полимеры (Cement and Concrete Composites, т. 32, с. 829).

≈сли предположить, что на строительство среднего американского дома уходит до 12 тонн бетона, а на небольшое офисное здание его требуетс€ примерно в тыс€чу раз больше, можно представить себе, сколько энергии могли бы запасать полы и стены. Ёто было бы особенно полезно в тех случа€х, когда нет возможности подключитьс€ к обычной электросети либо требуетс€ срочно перейти на автономный режим питани€, а также когда нужно стабилизировать напр€жение тока, поступающего от установленных на крыше фотоэлементов.

Ќекоторые предлагают задействовать дл€ запасани€ электричества бумагу. Ќаделенна€ новыми свойствами, она нашла бы самое широкое применение. Ѕатарейку, котора€ была бы не толще газетного листа, уже давно ждут производители электронных книг и одежды со всевозможными вшитыми в нее устройствами (например, музыкальными плеерами).

–азработку источников тока на бумажной основе, которые занимали бы минимум места в современных приборах, осуществл€ет компани€ Paper Battery (“рой, штат Ќью-…орк).

Ёлектрическое оригами

»сследование специалистов из ѕолитехнического института –енсселира (штат Ќью-…орк) показало, что хранить энергию способен лист самой обычной целлюлозы. ”ченые пропитали его раствором электролита и встроили в него массивы углеродных нанотрубок, которые вз€ли на себ€ роль электродов. ”дельна€ емкость полученного материала составила 10 ватт-часов на килограмм. Ёто значит, что дес€ток страниц формата ј4 в сумме имеют такой же зар€д, как у обычной батарейки типа јјј (Proceedings of the National Academy of Sciences, т. 104, с. 13574).

„то касаетс€ Paper Battery, ее глава Ўрифал ћехта не захотел рассказывать о своем изобретении в детал€х. ќн лишь упом€нул о том, что секрет технологии заключаетс€ в особых чернилах, наносимых послойно на бумагу, – благодар€ их особому составу можно получать как суперконденсаторы, так и аккумул€торы с высокой энергоемкостью.

¬ течение двух лет ћехта собираетс€ наладить массовое производство своих изделий. «ћы уже ведем переговоры с заказчиками, которые в данный момент тестируют наши экспериментальные образцы», – сообщил он.

Ёти супертонкие батареи, получившие название PowerWrapper, предполагаетс€ встраивать в корпуса ноутбуков и салоны автомобилей, размещать в интерьерах квартир. ѕроложенные 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. ¬ них можно завернуть все что угодно, говорит ѕуликель јджа€н, один из разработчиков продукта.

“ак что осторожнее ходите по бетону и не хлопайте крышкой лэптопа. ѕока 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.

—тать€ опубликована в журнале NewScientist є 10, 2011 год.

ƒжеймс ћитчелл  роу

»сточник: "Ќаука и технологии в –‘"

  • ƒата публикации: 10.11.2011
  • 1623
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150