Цивилизация
Сегодня, в век синтетических материалов, волокон, лекарств, все еще оказывается полезным посмотреть на примеры природных соединений, которые по своим свойствам и качествам могут превосходить лучшие искусственно синтезированные вещества. Так, ученые предлагают заменить синтетический полимер, используемый в качестве связующего в аккумуляторах, природным – весьма распространенным компонентом водорослей. Они предполагают, что такая замена позволит не только повысить эффективность работы используемых сегодня повсюду — от автомобилей до сотовых телефонов — литиевых батареек, но и ускорить практическое внедрение новых высокоэффективных аккумуляторов на кремниевых электродах.
Полисахарид альгинат, содержащийся в бурых водорослях, не только улучшает характеристики аккумуляторов, но и значительно снижает токсичность их производства,
говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science.
Авторы работы — наши бывшие соотечественники Глеб Юшин и Игорь Лузинов, работающие сейчас в Технологическом институте штата Джорджия и Университете Клемсона (США).
«Создание более дешевых аккумуляторов с большей емкостью и большим временем работы могло бы оказать серьезное влияние на общество в будущем. Технология с использованием альгината, которую мы предлагаем, может стать кирпичиком в здании более энергоэффективной экономики, где будут широко использоваться электрокары, а сотовые телефоны и ноутбуки будут работать без зарядки гораздо дольше. Они также станут гораздо безопаснее для окружающей среды», — сказал Юшин, слова которого приводит пресс-служба Университета Клемсона.
Компонент, который ученые предлагают модернизировать, играет очень важную роль в функционировании аккумулятора. Стандартная современная батарейка состоит из двух электродов — катода и анода, связанных между собой жидким электролитом, по которому могут передвигаться ионы, и связующим веществом, которое должно предотвращать нарушения контакта между частицами активного вещества, что улучшает характеристики аккумулятора. Кремниевые аноды в перспективе предлагают гораздо большую — примерно в десять раз — емкость аккумулятора, однако с современным связующим они недостаточно стабильны для их реального использования. Кроме того, типичное связующее — фторопласт поливинилиденфторид — производится с использованием токсичного растворителя.
«Мы пытались найти подходящий материал в природных системах, живущих в сходных условиях, поэтому мы выбрали водные растения, существующие в сильно соленых средах (соленая вода, по сути, сама является электролитом, содержащим большое количество ионов — прим. «Газеты.Ru»).
Электроды погружены в жидкий электролит, поэтому растения, существующие в агрессивной среде соленой воды, показались нам идеальными кандидатами для производства природного связующего», — объяснил Лузинов.
Альгинаты — недорогие материалы, уже используемые в пищевой промышленности, фармакологии и стоматологии как загустители и стабилизаторы. Добывают их из обычной ламинарии, в которой содержание альгиновой кислоты колеблется от 15% до 30%. Выделять из водорослей (сразу в виде солей) ее можно с помощью обычной соды, поэтому такая технология будет очень «зеленой», безвредной для окружающей среды.
Физические свойства альгинатов идеально подходят для сборки наночастиц кремния или графита в электрод.
Более того, для их внедрения не требуется значительного изменения производственного процесса или самих батарей — производство альгината можно интегрировать в существующий сегодня технологический процесс.
Самое полезное свойство альгината — его высокая вязкость и эластичность. Во время работы батареи на поверхности анода образуется твердая «корочка», через которую легко проходят ионы лития, но не жидкий электролит. Объем наночастиц графита постоянен, поэтому эта твердая поверхность не претерпевает изменений во время работы и выполняет свою функцию. Объем наночастиц кремния — перспективного электродного материала — меняется в ходе работы электролита, и при использовании современного связующего поверхность трескается, электролит проникает в поры, закупоривает их, и аккумулятор выходит из строя.
Альгинат надежно цементирует наночастицы кремния и стабилизирует разделяющую поверхность, предотвращая разложение материала.
Опытный образец аккумулятора на кремнии и альгинате показал в восемь раз более высокую емкость, чем современные литиевые батарейки, и оставался стабильным в течение 1000 циклов зарядки-разрядки.