Модернизация литий-ионных аккумуляторов

В настоящее время литий-ионные аккумуляторные батареи являются наиболее распространенным в мире типом аккумуляторов, которые используются в различной бытовой и мобильной технике. Соответственно, ученные всего мира прикладывают массу усилий для их постоянного усовершенствования. Некоторые из них пытаются найти решение проблем в эволюции живого мира.

Например, группа американских ученых из университета в Мэриленде, определила высокие возможности органических веществ-пептидов, входящих в структуру раковин некоторых видов моллюсков, по связыванию веществ, входящих в состав современных катодов. За счет подобного решения можно не только сократить массу аккумуляторов и повысить их емкость, но и обеспечить изделиям повышенный срок службы.

С учетом необходимости работы с материалами, обладающими наноразмерами, ученым приходится решать несвойственные для обычных условий проблемы. Например, химические реакции для веществ, чей размер меньше 100 нанометров, кардинально отличаются от реакций для более крупных элементов. Протекают они хаотично и непредсказуемо. В тоже время именно использование подобных материалов позволяет выйти на иной технологический уровень изделий, повышая площадь поверхности электродов, общую емкость аккумуляторов и другие основные характеристики.

В результате перед специалистами стоит задача по преодолению трудностей, связанных с нестабильностью химических процессов, протекающих в материалах, обладающих наноразмерами.

В процессе решения сложной задачи группа специалистов решила обратить внимание на процесс выращивания моллюсков, где раковины увеличиваются в размерах за счет наличия в структуре определенных пептидов. Данные вещества представляют собой органические соединения нескольких аминокислот в единой цепочке. Пептиды вырабатываются самим моллюском, и выступают в качестве связующего материала для неорганических соединений, например, карбоната кальция. В результате рост наноразмерных структур (основа раковины) определяется скоростью и местом образования пептидов.

Аналогичные возможности можно реализовать и при производстве литий-ионных аккумуляторных батарей, но для этого необходимо было подобрать пептид, способный эффективно обеспечить скрепление окиси лития-никеля-марганца, которая выступает в качестве основного материала при создании катодов для подобных аккумуляторов.

Процесс поиска такого пептида не потребовал от специалистов серьезных временных затрат, так как для подбора необходимого пептида была задействована технология "Phage Display". Ее главной особенностью является возможность организации одновременного наблюдения за миллионами типов пептидов и процессами, которые проходят в них на молекулярном уровне.

В последующем ученые соединили пептид с другим аналогичным органическим соединением, которое продемонстрировало собственные способности по закреплению на углеродных нанотрубках, которые в настоящее время применяются в качестве передовых проводников в аккумуляторных батареях. В результате соединения двух пептивод американским специалистам удалось создать соединение, которое не только обладает способностями скрепления молекул LMNO в единое целое, но и способное оседать на стенках нанотрубок, надежно прикрепляясь к ним.

В процессе исследований удалось выяснить, что созданные на основе подобной технологии аккумуляторы обладают еще одним важным преимуществом, они полностью не подвержены процессу деградации. С увеличением количества разрядок и последующих зарядок аккумуляторной батареи отмечается некоторый рост качества работы батареи, так как в процессе протекания каждого из циклов осуществляется сближение молекул между собой, их уплотнение и увеличение связи с нанотрубками. Как следствие, площадь контакта увеличивается одновременно с уменьшением сопротивления.

В результате использование в литий-ионных аккумуляторах пептидов позволило не только улучшить основные рабочие показатели, но и наделить их уникальными возможностями становиться лучше с увеличением продолжительности эксплуатации.

Авторы разработки уверены, что технология производства катодов с наноразмерной структурой может быть реализована уже сейчас, и с ее помощью удастся побороть проблему старения аккумуляторных батарей, снизить их массу и повысить емкостные характеристики.

Ученые не собираются останавливаться и занялись реализацией принципа действия для создания аналогичных анодов. Если у них все получится, то мир может увидеть совершенно новый тип аккумуляторов, который по своим характеристикам будет многократно превосходить все существующие в настоящее время модели.