Уже через несколько лет зарядка телефона будет занимать секунды. Зарядить так аккумулятор ноутбука не получится – не выдержит электросеть. Новые электроды сократили литий-ионным аккумуляторам цикл зарядки и разрядки до нескольких секунд.

Привычка каждую ночь ставить на зарядку телефон и mp3-плеер может уйти в прошлое уже через 2–3 года, а гибридные автомобили должны стать намного приёмистей и эффективнее. Зарядить телефон по полной можно будет за несколько секунд. Правда, потреблять энергию во время зарядки он будет с мощностью электрического чайника, а ток, который при этом пойдёт из розетки, потребует провода в палец толщиной.

Профессор американского Массачусетского технологического института (MIT) бельгиец Жербран Седер и его южнокорейский аспирант Кан Бён У разработали

способ обработки электродов, который на несколько порядков повышает скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов и высвобождения из них энергии.

Раньше такую скорость разряда могли дать только конденсаторы особого типа. Однако они гораздо более капризны и весят также на порядки больше: накопление заряда в конденсаторе идёт не по всему объёму, а только вдоль поверхности обкладок, и как ни сворачивай их трубочкой, разделяющий обкладки диэлектрик занимает очень много места.

По словам авторов новой технологии, описание которой опубликовано в последнем номере Nature, её применение требует лишь незначительной модификации технологического процесса изготовления батарей, а значит, её реализация должна быть очень скорой. По оценкам Седера – два–три года.

Скорость зарядки и разрядки аккумулятора ограничивает подвижность ионов лития Li⁺ в электроде батареи. Один из лучших материалов для электрода, который широко используется в наши дни, – литий-железа фосфат LiFePO₄. Он позволяет как быстро принять ионы при зарядке, так и высвободить их во время работы аккумулятора.

Однако недостаточно быстро.

Несколько лет назад Седер и Кан посчитали теоретическую скорость, с которой LiFePO₄ должен принимать ионы лития, и она оказалась на два порядка выше той, что наблюдается в действительности.

Учёные тогда быстро выяснили, в чём дело: кристаллы LiFePO₄ быстро работают на приём и отдачу Li⁺ лишь в одном направлении ([010]). Если же ион подходит к кристаллу с другой стороны, то проникнуть внутрь гораздо сложнее; точно так же и выход иона при разрядке существенно замедляется, если кристалл повёрнут к электролиту «не той» стороной.

Частичное решение этой проблемы Кан и Седер также предложили сразу – измельчить кристаллы так, чтобы увеличить площадь контакта с электролитом и шансы на правильную ориентацию. Изготовление электрода из наночастиц LiFePO₄ размером примерно по 50 нм действительно увеличило мощность – но не на порядки.

Теперь специалисты из MIT наконец решили проблему кардинальным образом.

По их собственным словам,

они окружили каждую из наночастиц своего рода молекулярным «конвейером», который без конца мотает ионы Li⁺ вокруг кристаллов LiFePO₄, и стоит иону оказаться у нужной кристаллической поверхности, как он тут же проваливается внутрь.

Этот «конвейер» – стеклообразный пирофосфат лития Li₄P₂O₇, который слоем толщиной всего около 5 нм покрывает поверхность наночастиц литий-железа фосфата. Стеклообразный, конечно, не в том смысле, что из него можно делать линзы и пивные кружки, а в том, что это вещество не образует чёткой кристаллической структуры. В таком стеклянном контейнере ионы лития приобретают превосходную подвижность и очень быстро оказываются над нужной гранью LiFePO₄.

Элементы питания, созданные с помощью таких наночастиц со стеклянным покрытием, оказались способны хранить электроэнергию настолько хорошо, насколько позволяет теория, с удельной ёмкостью около 166 мА•ч на грамм материала. Иначе говоря, стандартный телефонный аккумулятор ёмкостью 1,5 тысячи мА•ч должен весить меньше 10 граммов.

Но главное – новые аккумуляторы почти не теряют своих способностей при сверхвысокой скорости зарядки и разрядки.

Даже в безумном по современным представлениям режиме 400 циклов в час, при котором полный заряд и разряд занимают всего 9 секунд, аккумулятор Седера и Кана способен хранить более 60 мА•ч на грамм своего веса. При этом новые батареи не теряют чудесных способностей при многократных циклах разрядки/зарядки, не портятся от пере- и недозарядки, а по своей термической стабильности даже лучше тех, что в ходу сегодня. Так что никаких взрывающихся и перегревающихся батарей в ноутбуках не предвидится.

Правда, у новой технологии есть одно слабое место – ни зарядные устройства, ни обычная квартирная проводка просто не рассчитаны на токи, которые потребуются новым батареям.

Зарядка аккумулятора на 1500 мА•ч за 9 секунд требует тока в 600А. Чтобы проводить ток в 600 ампер, нужен толстый провод, никак не похожий на тонкие жилки современных зарядных устройств. Поскольку зарядка идёт при напряжении около 4 В, то в течение 9 секунд ваш телефон будет потреблять 2,4 кВт электроэнергии. Это мощность хорошего электрического чайника – задача не для тонкого провода.

Но если мощность чайника сеть в большинстве случаев ещё выдержит, то попытка быстро подзарядить аккумулятор для ноутбука на 6000 мА•ч при напряжении 15 В выльется в потребление 36 кВт электроэнергии и, скорее всего, оставит без света весь ваш дом. О подзарядке аккумуляторов для автомобилей, тем более гибридных, лучше и не заикаться.

Тем не менее никто не заставляет испытывать пределы новой технологии быстрой зарядки. Большинство из нас, скорее всего, удовлетворит и менее экстремальный режим. Ну а о проводке пусть болит голова у тех, кому нужна максимальная мощность. Об аккумуляторах за них подумали Жербран Седер и Кан Бён У.

Livejournal.com

Имя ЖЖ-пользователя	Пароль
Правила использования	Отказ от ответственности

* Для комментирования, пожалуйста, авторизуйтесь

olegflorida

(без темы)

Работаю в этой области с 1982 года.
Всё определяется ценой. Сколько будет стоить этот катодный
материал и как повлияет эта добавка на электрохимические свойства катода? А саморазряд? Если быстро входит ион, может быть будет и быстро выходить из решётки Li FePO4 ? Популизм чистой...

Как
Тема
Комментарий

burbilog

Переход на электромобили будет постепенным

Chevy Volt тому примером. Просто пойдут гибриды, у которых будет потихоньку улучшаться аккумуляторная часть и уменьшаться мощность бензиновой.

Пока что сделан просто еще один шаг на долгом пути к электромобилям.

И понадобится на этот переход еще лет...

Как
Тема
Комментарий

dorozhko-oleg-v

(без темы)

Ну, раз понадобится больше электроэнергии, следующий скачок будем ждать в области ее получения..
Термояд, солнце, ветер, волны..
Авось не пропадем, переживем энергетический кризис.
Как однако все ускорилось.. только нефть стала кончатся так сразу и...
Наводит на...

Как
Тема
Комментарий

ubpskh

(без темы)

Я думаю, что наиболее реальное применение этой технологии в автопроме - это гибридные автомобили. С такой скоростью заряда/разряда автомобилю хватит значительно меньшей батареи чем те, что применяются...

Как
Тема
Комментарий

ubpskh

(без темы)

Если все обстоит именно так, как описано и если технология не будет слишком дорогой - то в скором времени реально может начаться переход на электромобили

Как
Тема
Комментарий

Все комментарии (15)...

РАНЕЕ В РУБРИКЕ «ПРИБОРНАЯ ПАНЕЛЬ»

	Мак замедляет шаг Специальный робот, созданный для движения по песку, помог разобраться в сложнейшей физике этого процесса. Скопированный с
	Голограмма превратилась в нанонадпись Физики из Станфордского университета написали самые крохотные буквы в истории, которые в десятки раз меньше знаменитой надписи
	В микромире завились гнёзда Химики научились создавать разнообразные и очень красивые спиральные структуры микрометровых масштабов. Микроскопические