професор Гліб Юшин - глава лабораторії нанотехнологій і професор GIT (Georgia University of Technology). Нещодавно Юшин та його колеги опублікували в Science статтю про те, як вони зробили принципово новий акумулятор ... з екстракту бурих водоростей і наночастинок кремнію. Акумулятор вийшов на 40% більш ємний, ніж ті, що використовуються сьогодні; а його ключовий інноваційний елемент, анод, в 8 разів більш ємний, ніж звичайний анод; і якщо зроблять катод йому до пари, вся батарея може стати в 8 разів емче. До того ж нова батарея витримала 1300 циклів перезарядки, а звичайна, яка використовується в мобільному телефоні, витримує 300-500 циклів.
Сьогодні все розвиток побутової електроніки, аж до електрокарів, впирається в ємність батарей. Нові й нові процесори слідують закону Мура : Вони подвоюють потужність кожні два роки; ростуть і їх електроаппетіти, а ось ємність батарей зростає лише на 2-4% в рік. Щоб зрозуміти, як вчені борються за автономність наших пристроїв і будь-що впирається прогрес, треба згадати, як, власне, працює батарейка.
Металевий стаканчик (так званий катод), в центрі якого стоїть графітовий стрижень (це анод), оточений густим розчином електроліту, - напевно, всі пам'ятають цю картинку з підручника. Працює така конструкція тому, що в товщу стінок склянки загнані заряджені частинки; переміщаючись від стінок до стрижня, частинки створюють струм, і ми ним користуємося. Коли все вільне місце в стрижні буде зайнято і частинкам нікуди буде подітися, ток зупиниться - батарея «села». Тоді потрібно повернути частинки назад в стінки склянки - перезарядити акумулятор.
Таким чином, ємність акумулятора залежить від того, як багато заряджених частинок можна початково напхати в стінки склянки і, в результаті, в стрижень. Число можливих перезаряджень акумулятора залежить від того, як псується стрижень з кожним циклом. Тобто і те й інше - від властивостей конкретних матеріалів. Знайти матеріали з новими властивостями - завдання досить нетривіальна. Якщо ви пам'ятаєте, в середині-кінці 90-х акумулятори стали різко краще: як заряджених частинок стали використовувати іони літію; але з тих пір мало що змінилося. Відкриття Юшина і колег стосується стрижня, анода: вони зробили його в 8 разів більш ємним і в кілька разів більш стійким в перезарядці.
Уже давно говорять, що замість графіту в стрижні можна було б використовувати кремній; в такий стрижень можна було б «загнати» на порядок більше літію. Проблема в тому, що кожен цикл впровадження літієвих частинок і їх вилучення змушував би крупинки кремнію в стрижні сильно роздуватися і стискатися. При цьому весь стрижень руйнувався б, і починав би гірше проводити струм. Крім того, поверхня такого стрижня, яка стикається з електролітом, вела б себе гірше. Після першої зарядки стрижень завжди покривається тонким шаром розклалася електроліту; поведінку акумулятора залежить від цілісності цієї пленочки. Постійно «грає» стрижень руйнував би плівку, і це вело б до подальших неприємностей: витрат електроліту, втрат літію та ін.
Всі ці проблеми може вирішувати полімер - свого роду тісто, в яке замішане основна речовина стержня (сьогодні це графіт); полімер склеює крупинки стержня в єдину ковбасу в процесі виготовлення на заводі. У звичайних акумуляторах використовують PVDF (полівінілденфторід) - отруйна речовина, яка не вирішує проблем, що виникають при використанні кремнію.
«Ми шукали підходящі полімери серед самих різних речовин - і подумали, що треба перевірити молекули, які є у водоростях. Ці організми живуть у морській воді, яка є електролітом (іншим, ніж в батареях, але аналогія правомірна. - Прим. І. К.); вони при цьому захищені від її агресивного впливу, - написав мені Гліб Юшин . - Як і в живій тканині, в акумуляторі нам важливо, щоб електроліт не проникало б в стрижень. Нам важлива механічна міцність стержня і цілісність його поверхні; водорості гнучкі, але дуже міцні ».
Наночастки кремнію, перемішані з альгінат
Гліб Юшин тримає в руках прототип акумулятора
Альгінат - полісахарид з бурих водоростей - дешевий, його легко виділяти (досить закип'ятити водорість в міцному розчині соди); його широко використовують в харчовій промисловості (наприклад, як загущувач для морозива) і в фарміндустрії. Вчені відлили стрижні з суміші альгінату і наночастинок кремнію і побачили, що вони в 8 разів більш ємкі і витримують по 1300 циклів перезарядки. Мабуть, властивості довгих молекул альгінату дозволяють поверхневій плівці, так і всьому стрижня не руйнуватися, незважаючи на постійні зміни розмірів частинок кремнію. Відкриттям негайно зацікавилася індустрія: Юшин повідомив, що веде переговори з декількома виробниками.
«А ще було б чудово навчитися імплантувати кремній в живі водорості, щоб стрижні росли прямо на кущі», - написав мені Гліб вже після інтерв'ю. Нам же, як споживачам, буде цікаво чекати не тільки появи «батарейних» плантацій. Справа в тому, що після створення таких стрижнів головним лімітуючим фактором робиться речовина катода - зовнішнього стаканчика, з якого починають свій шлях частинки літію; адже їх треба десь брати, щоб насичувати нові чудо-аноди. Саме тому батарея Юшина працює лише на 40% довше за звичайну, хоча могла б на 800%. Ось якщо і катод вдосконалять, батареї стануть принципово емче. Або менше розміром, що теж непогано.
Гліб Юшин відповість на запитання учасників проекту «Сноб».