Неудачная перезаряжаемая батарея Томаса Эдисона может получить вторую жизнь.
Батарея, основанная на технологии, впервые разработанной Томасом Эдисоном, наконец-то может получить признание. Но в то время как знаменитый изобретатель более века назад представлял себе, что никель-железные батареи будут питать автомобильную промышленность, исследователи теперь считают, что лежащие в их основе концепции больше подходят для центров возобновляемой энергетики. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Small, группа, в которую вошли инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, разработала прототип батареи, которая заряжается за секунды и выдерживает более 12 000 циклов использования — эквивалент более 30 лет ежедневной активности.
Перезаряжаемая электроэнергия — не новая концепция. К 1900 году в Соединённых Штатах на дорогах было больше электромобилей-гибридов, чем автомобилей на бензине. В 1901 году Эдисон запатентовал рабочую свинцово-кислотную автомобильную батарею, которая почти открыла совершенно иной XX век. К сожалению, стоимость батареи и её запас хода в 30 миль в конечном итоге уступили место двигателю внутреннего сгорания, прежде чем Эдисон смог реализовать преемника никель-железной батареи.
Сегодня возобновляемая энергетика прочно утвердилась после более чем столетия инноваций — а также разрушительных последствий использования ископаемого топлива. Хотя большинство людей знакомы с литий-ионными батареями, концепция Эдисона с никель-железными батареями не умерла полностью. Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе признают, что, хотя технология не обязательно хорошо подходит для транспорта, она показывает невероятные перспективы для использования в инфраструктурных объектах, таких как солнечные фермы.
Хотя основы устройства основаны на связях на атомном уровне на наноуровне, биохимики, такие как соавтор исследования Махер Эль-Кади, говорят, что принципы сравнительно легко понять. «Люди часто думают о современных инструментах нанотехнологий как о сложных и высокотехнологичных, но наш подход удивительно прост и понятен», — сказал он в недавнем профиле Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Команда Эль-Кади черпала вдохновение из двух основных источников: элементарной химии и анатомии скелета. И кости позвоночных, и раковины образуются с использованием определённых белков в качестве основы для соединений на основе кальция.
«Укладка минералов правильным образом создаёт кости, которые являются прочными, но достаточно гибкими, чтобы не быть хрупкими. То, как это делается, почти так же важно, как и используемый материал, а белки определяют, как они размещаются», — объяснил материаловед и соавтор исследования Рик Канер.
Эль-Кади и Канер задались вопросом, можно ли адаптировать эту систему, заменив кальций на никель и железо. Для своих белков они обратились к оставшимся побочным продуктам переработки говядины и придали им оксид графена — лист углерода и кислорода толщиной в один атом.
В конце концов, им удалось вырастить сложенную белковую структуру, наполненную положительными атомами никеля на электроде и отрицательно заряженным железом. Имея ширину менее пяти нанометров, потребовалось бы от 10 000 до 20 000 кластеров, чтобы достичь ширины человеческого волоса.
Атомы кислорода в оксиде графена обычно функционируют как изолятор, что может снизить эффективность батареи. Однако у команды было решение. После помещения своего творения в перегретую воду высокие температуры превратили белки в углерод, устранив весь кислород. В то же время металлические кластеры были дополнительно внедрены в структуры. В результате был получен аэрогель, который почти на 99 процентов состоит из воздуха. Оттуда удивительная динамика площади поверхности берёт верх.
«Когда мы переходим от более крупных частиц к этим чрезвычайно крошечным нанокластерам, площадь поверхности резко возрастает. Это огромное преимущество для батарей», — сказал Эль-Кади. «Когда частицы настолько малы, почти каждый атом может участвовать в реакции. Таким образом, зарядка и разрядка происходят намного быстрее, вы можете хранить больше заряда, и вся батарея работает более эффективно».
Батарея из никель-железного аэрогеля Эль-Кади в настоящее время имеет далеко не такую ёмкость для хранения, как литий-ионная альтернатива, что делает её непригодной для электромобилей. Однако это не значит, что это просто аккуратный химический эксперимент. Быстрая зарядка никель-железной батареи, её долговечность и высокая производительность позволяют предположить, что она может хорошо работать на солнечной ферме. Батарея может легко и быстро накапливать излишки электроэнергии в течение дня, а затем передавать эту мощность в сеть ночью. Также существуют сценарии, в которых она может помочь обеспечить резервное питание энергоёмких центров обработки данных.
Хотя возрождение никель-железных батарей Эдисона всё ещё находится на ранней стадии, наука и ноу-хау уже есть. Более того, это полностью исключает зависимость литий-ионных аккумуляторов от редкоземельных металлов. «Мы просто смешиваем обычные ингредиенты, применяем щадящие методы нагрева и используем широко доступные сырьё», — сказал Эль-Кади.