Неудачная перезаряжаемая батарея Томаса Эдисона может получить вторую жизнь

США - Информационное агентство Эхбари

Неудачная перезаряжаемая батарея Томаса Эдисона может получить вторую жизнь

В разработке, которая может переписать главы истории хранения электроэнергии, команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) успешно создала прототип никель-железной батареи, основанный на новаторских принципах, заложенных знаменитым изобретателем Томасом Эдисоном. В то время как первоначальное видение Эдисона этой технологии в начале 20-го века состояло в питании электромобилей, современные исследователи теперь считают, что ее фундаментальные концепции гораздо лучше подходят для приложений хранения возобновляемой энергии, таких как солнечные и ветряные электростанции.

Исследование, недавно опубликованное в научном журнале 'Small', описывает инновационный прототип батареи, способный заряжаться всего за несколько секунд и выдерживать более 12 000 циклов зарядки-разрядки. Эта замечательная долговечность эквивалентна примерно 30 годам интенсивного ежедневного использования, что указывает на исключительно долгий срок службы этой переосмысленной технологии. Этот прорыв отражает более глубокое понимание того, как использовать химические принципы на наноуровне для достижения превосходной производительности.

Концепция перезаряжаемой электрической энергии не была совершенно новой во времена Эдисона. К 1900 году на дорогах США гибридных электромобилей было больше, чем автомобилей с бензиновым двигателем. В 1901 году Эдисон получил патент на свою работающую свинцово-кислотную автомобильную батарею, которая могла бы направить 20-й век по совершенно иному пути. Однако батареи Эдисона столкнулись со значительными препятствиями, включая высокую стоимость и ограниченный запас хода всего в 30 миль, что в конечном итоге привело к их поражению от двигателей внутреннего сгорания до того, как Эдисон смог полностью реализовать свое видение успешной никель-железной батареи-преемницы.

Сегодня возобновляемая энергия стала краеугольным камнем мирового энергетического баланса после более чем столетия непрерывных инноваций, а также в свете растущей осведомленности о серьезных последствиях использования ископаемого топлива. В то время как большинство людей сегодня знакомы с перезаряжаемыми литий-ионными батареями, концепция никель-железной батареи Эдисона не исчезла полностью. Инженеры UCLA признают, что, хотя эта технология может быть не совсем подходящей для транспортных приложений, она демонстрирует огромный потенциал для использования в энергетической инфраструктуре, такой как солнечные фермы и крупномасштабные хранилища энергии.

Доктор Махер Эль-Кады, один из соавторов исследования, объясняет, что основные принципы этой технологии, несмотря на то, что они основаны на атомных связях и нанотехнологиях, на удивление легко понять. "Люди часто думают, что современные инструменты нанотехнологий сложны и высокотехнологичны, но наш подход удивительно прост и прямолинеен", - сказал он в недавнем профиле UCLA.

Команда Эль-Кады черпала вдохновение из двух основных источников: фундаментальной химии и анатомии скелета. Например, формирование костей позвоночных и раковин включает использование определенных белков в качестве каркаса для построения соединений на основе кальция. "Укладка минералов правильным образом создает кости, которые прочны, но достаточно гибки, чтобы не быть хрупкими. То, как это сделано, почти так же важно, как и используемый материал, а белки направляют их размещение", - объясняет доктор Рик Канер, ученый-материаловед и соавтор исследования.

Эль-Кады и Канер исследовали возможность адаптации этой биологической системы путем замены кальция никелем и железом. В качестве белкового компонента они использовали побочные продукты переработки говядины, пропитывая их оксидом графена — одноатомным слоем углерода и кислорода толщиной в один атом. В итоге им удалось вырастить сложенную белковую структуру, заполненную положительно заряженными атомами никеля и отрицательно заряженными атомами железа. Эти структуры, шириной менее пяти нанометров, потребуют от 10 000 до 20 000 кластеров, чтобы достичь ширины человеческого волоса.

Атомы кислорода в оксиде графена обычно действуют как изолятор, что может снизить эффективность батареи. Однако команда нашла решение. Поместив свое творение в перегретую воду, высокие температуры превратили белки в углерод, одновременно удалив весь кислород. В то же время эти металлические кластеры были еще глубже внедрены в структуры. Результатом стал аэрогель, состоящий примерно на 99% из воздуха по объему. Отсюда вступают в игру удивительные свойства поверхности.

"Когда мы переходим от более крупных частиц к этим чрезвычайно крошечным нанокластерам, площадь поверхности становится значительно выше. Это огромное преимущество для батарей", - пояснил Эль-Кады. "Когда частицы настолько малы, почти каждый атом может участвовать в реакции. Таким образом, зарядка и разрядка происходят намного быстрее, можно хранить больше заряда, и вся батарея работает эффективнее."

Хотя никель-железная аэрогелевая батарея Эль-Кады в настоящее время не обладает такой же емкостью хранения, как литий-ионные аналоги, что делает ее непригодной для электромобилей, ее значение выходит за рамки простого химического эксперимента. Быстрая зарядка, долговечность и высокая выходная мощность никель-железной батареи предполагают ее высокую эффективность для использования на солнечных электростанциях. Батарея могла бы легко и быстро накапливать избыточную электроэнергию в течение дня, а затем передавать эту энергию в сеть ночью. Кроме того, она могла бы служить жизненно важным источником резервного питания для энергоемких центров обработки данных.

Хотя возрождение никель-железных батарей Эдисона находится на ранней стадии, наука и инженерные знания уже существуют. Важно отметить, что эта технология полностью обходит зависимость от редкоземельных металлов, характерную для литий-ионных батарей.

"Мы просто смешиваем распространенные ингредиенты, применяем щадящие этапы нагрева и используем широко доступное сырье", - заключил Эль-Кады. Эти заявления открывают двери в многообещающее будущее хранения энергии, где инновации, вдохновленные прошлым, играют решающую роль в решении нынешних и будущих проблем.

Информационное агентство Эхбари