"Батарея Эдисона" заряжается за секунды и держит заряд десятки лет: как она работает
Ученые из Калифорнийского университета разработала прототип никель-железной батареи, которая заряжается за секунды и сохраняет характеристики более 12 000 циклов. Такая долговечность эквивалентна 30 годам ежедневной подзарядки.
Команда исследователей ожидает, что эта технология позволит стабилизировать электросети и управлять нестабильной возобновляемой энергией.
Быстрая зарядка, высокая выходная мощность и высокая долговечность этой технологии говорят о том, что она подходит для хранения избыточной электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями в течение дня, для питания сети ночью. Она также может быть полезна для резервного питания в центрах обработки данных.
Однако эта технология пока не соответствует плотности энергии литий-ионных батарей. В технологии используются кластеры никеля и железа размером менее 5 нанометров, что означает, что от 10 000 до 20 000 кластеров могут поместиться в толщину человеческого волоса. Используя эти размеры, исследователи увеличили площадь поверхности электрода, что позволило почти каждому атому участвовать в химической реакции. Такая эффективность позволяет батарее полностью заряжаться за секунды, а не за 7 часов, как это было в случае с историческими версиями этой технологии.
Разработка основана на концепции 1900 года, когда электромобили превосходили по количеству автомобили с бензиновыми двигателями, но имели запас хода всего 30 миль. Томас Эдисон пытался улучшить этот показатель, используя никель-железную химию, чтобы достичь запаса хода в 100 миль, но в конечном итоге его наработки вытеснили двигатели внутреннего сгорания.
Новый прототип, разработанный в Калифорнийском университете, использует двумерный графен и белки для преодоления проблем с проводимостью, которые ранее ограничивали этот тип батарей.
Исследовательская группа использовала белки, полученные из говядины, в качестве шаблонов для выращивания металлических кластеров. Эти белки смешивали с оксидом графена, материалом толщиной в один атом. Смесь перегревали в воде, а затем запекали при высоких температурах, что превращало белки в углерод и внедряло кластеры никеля и железа в структуру. Полученный материал представляет собой аэрогель, состоящий на 99% из воздуха по объему.
Эффективность батареи обусловлена ее большой площадью поверхности. Поскольку графеновый аэрогель тонкий и пористый, в нем достаточно места для химических реакций. По мере того, как металлические частицы сжимаются в нанокластеры, соотношение площади поверхности к объему увеличивается. Это позволяет достичь более высоких скоростей зарядки и разрядки по сравнению с традиционными конструкциями батарей, поскольку ионам приходится преодолевать меньшие расстояния и у них больше мест для образования связей.
Исследователи изучают возможность использования других металлов с этой технологией изготовления нанокластеров. Они также тестируют природные полимеры в качестве более распространенной замены бычьим белкам для облегчения потенциального производства. Команда рассчитывает использовать эту технологию для стабилизации электросетей и управления нестабильной выработкой возобновляемой энергии.
Ранее мы писали о том, что миллионы солнечных панелей дали сбой. Китай не может отказаться от угля, и многочисленные солнечные фермы ситуацию не спасают. Аналитик Дэвид Фиклинг объяснил, почему это так.