02.07.2012
Аккумулятор, создаваемый лишь с использованием операции напыления
Литиевые батареи обычно состоят из пяти слоёв (фото: Neelam Singh et al)
Литиевые батареи обычно состоят из пяти слоёв, каждый из которых по предложенной разработчиками из Университета Райса (США) схеме может быть… напылён при помощи аэрозоля.
Таким образом, весь аккумулятор производится лишь с использованием операций напыления, что, среди прочего, снижает общую трудоёмкость его создания. Новая технология может получить широкое распространение в целом ряде областей.
Любая литиевая батарея состоит из пяти слоёв: токосъёмной клеммы, идущей к катоду, самого катода, притягивающего положительно заряженные ионы, пропитанного электролитом пористого сепаратора, анода на медной фольге и токосъёмной клеммы, подведённой к аноду.
Чтобы сделать такого рода материалы напыляемыми, исследователи подобрали полимеры, с которыми смешивали стандартные электропроводящие материалы вышеупомянутых пяти слоёв. Главной целью разработчиков, как говорит руководитель научной группы Нилам Сингх, было выяснить, «можем ли мы напылить аккумуляторы на различные поверхности и превратить тем самым любой предмет в энергонакопительное устройство».
По словам исследовательницы, солнечная энергетика — одно из основных направлений, нуждающихся в аккумуляторах. Панели солнечных батарей предлагают (с тыльной стороны) большую поверхность, которая никак не используется. Новая технология позволяет выпускать такие модули, которые изначально смогут накапливать энергию днём и отдавать её вечером и ночью. Другим возможным приложением является использование специальных стёкол с тонкоплёночными фотоэлементами, энергия от которых сможет храниться непосредственно в батареях на рамах таких окон.
Новые литиевые накопители могут наноситься на любую твёрдую поверхность (изображение: Neelam Singh et al.)
Чтобы испытать адгезионный потенциал наносимых слоёв и общую работоспособность таких аккумуляторов, авторы напыляли их на стекло, нержавеющую сталь, гибкую прозрачную полимерную плёнку, керамическую плитку и даже на глиняную пивную кружку. Во всех случаях батареи работали вполне штатно.
Поскольку напыляемые аккумуляторы должны быть безопасными, учёные отказались от алюминиевых клемм-токосъёмников, которые обычно подсоединяют к катоду. Почему? — Алюминиевые микрочастицы могут быть раздражителями для верхних дыхательных путей и лёгких. Их заменили углеродными нанотрубками, однако, поясняют изобретатели, это не увеличит стоимость новых батарей, так как нанотрубок по весу нужно очень мало.
В общей массе напыляемой батареи углеродные нанотрубки составляют всего 4,3%, что, по словам разработчиков, почти не повлияет на стоимость накопителя
Мы же заметим, что выбранные вещества всё же несколько дороже используемых обычно, ведь вместе со стандартным LiCoO2 (катод) в батареях применяется литий-титановый материал для анода. Правда, сепаратор представлен широко распространённым гелевым электролитом, применяемым и сейчас, да и клемма токосъёмника анода сделана из обычной меди.
Один из пяти слоёв, сепаратор, напыляется бескислородным методом, так как при контакте с воздухом он быстро окисляется. Поэтому изготовление литиевых накопителей способом напыления пока требует вакуумной камеры. Но исследователи уже работают над заменой материала для сепаратора на нечто менее химически активное, дабы создавать такие батареи можно было где угодно. Лишь бы под рукой был запас аэрозольных баллончиков с нужными компонентами. А они, по мнению учёных, если технология появится на рынке, попросту будут продаваться в магазинах.
Отчёт об исследовании опубликован в журналах Nature и Scientific Reports.
