Аккумулятор можно... нарисовать?

Перезаряжаемый элемент питания, созданный учеными в лаборатории при Университете Райса в Хьюстоне (Rice University, назван в честь своего основателя Уильяма Марша Райса), состоит из напыляемых слоев, каждый из которых представляет собой определенный компонент обычного аккумулятора. Исследование опубликовано в онлайн-журнале Scientific Reports (портал Nature.com).

«Этот означает, что мы переходим от аккумуляторов с традиционной компоновкой к совершенно новым видам элементов питания, которые открывают огромные возможности для дизайна электронных устройств будущего», - поясняет суть изобретения профессор механической инженерии, материаловедения и химии Пуликел Аджаян (Pulickel Ajayan), специалист по новым материалам. «В последние годы в высокотехнологичной индустрии возникла насущная потребность в принципиально новых, легко адаптируемых форм-факторах для элементов питания, и наше достижение стало большим шагом вперед в этом направлении».

Главный автор научной работы Ниилам Сингх (Neelam Singh), аспирантка из Университета Райса, вместе со своей командой провела много часов, подбирая формулы, смешивая и тестируя химические компоненты для каждого из пяти слоев: двух токоприемников, катода, анода и полимерного сепаратора посередине.

В стандартной аккумуляторной батарее (слева) активные слои упакованы в контейнер, новый метод позволяет наносить все основные компоненты на любую поверхность (справа)

Исследователи распыляли компоненты на различные поверхности: ванную керамическую плитку, гибкие полимеры, стекло, нержавеющую сталь и даже на глиняные пивные кружки, чтобы узнать, как материалы аккумулятора будут взаимодействовать с каждым из носителей.

В первом эксперименте они объединили девять элементов на основе керамических плиток в параллельную цепь. На одном из элементов установили солнечную батарею, конвертирующую энергию белого лабораторного света. После полной зарядки от солнечной батареи и домашней сети к аккумуляторам подключили расположенные в виде слова RICE светодиоды, которые работали непрерывно в течение шести часов, поскольку элементы смогли обеспечить стабильное напряжение в 2.4 Вольта.

Команда выяснила, что «нарисованные от руки» аккумуляторы обладают на удивление постоянными свойствами; отклонение от заданных значений не превышало 10 процентов. По словам Ниилам Сингх, после шестидесяти циклов зарядки-разрядки снижение емкости элементов оказалось весьма незначительным.

Первый из слоев аккумулятора, токоприемник положительного заряда, состоит из смеси химически чистых углеродных нанотрубок с углеродными черными частицами, растворенными в N-метилпирролидоне. Второй слой, катод, содержит литий-кобальт оксид, или кобальтит лития, углерод и наночастицы сверхочищенного графита (ultrafine graphite, UFG, 3-10 nanometres). Третий слой, состоящий из смолы Kynar Flex, полиметилметакрилата (PMMA, органическое стекло) и диоксида кремния, играет роль сепаратора. Четвертый слой, анод, изготовлен из смеси литий-титан оксида и наночастиц UFG, а последний, пятый слой, служащий токоприемником отрицательного заряда, создан из электропроводящей медной краски, разбавленной этанолом.

Обычная кермачисекая плитка отлично подходит для распыляемых аккумуляторов (кадр из демонстрационного видео, размещенного на сайте Университета)

«Сложнее всего было достигнуть высокой механической стабильности элементов питания - особое значение в данном вопросе имеет сепаратор», - продолжает Ниилам. «Мы обнаружили, что слои из нанотрубок хорошо сцепляются с катодом, но если сепаратор механически нестабилен, то слои легко соскабливаются с поверхности. Путем добавления PMMA нам удалось повысить клейкие качества сепаратора». После «окраски» каждый из тестовых образцов заполнили электролитом, плотно запечатали под высокой температурой и зарядили.

Ниилам уверяет, что аккумуляторы хорошо заряжаются от любого компактного солнечного элемента. По ее мнению, существует возможность объединения напыляемых батарей с недавно созданными солнечными элементами, которые также можно наносить на различные поверхности методом распыления. Несмотря на то, что и первое поколение аккумуляторов оказалось весьма удачным, современные технологии позволят в дальнейшем существенно улучшить свойства новых элементов питания. «Техника окраски уже давно применяется в промышленной индустрии, поэтому можно будет без особых усилий внедрить новый способ производства разработанных нами аккумуляторов», - отмечает Ниилам.

Один из первых прототипов элементов питания, которые помогут снять множество ограничений в дизайне будущей электроники

Исследователи подали заявку на получение патента на свое изобретение, которое они планируют совершенствовать и в будущем. Теперь, по словам руководителя исследования, команда занимается поиском электролитов, которые можно будет использовать в производстве напыляемых аккумуляторов на открытом воздухе, а также раздумывает над созданием модульных, то есть состоящих из нескольких частей элементов, из которых можно собирать легко конфигурируемые системы.

«Мы считаем, что наша работа способна изменить саму парадигму современных элементов питания», - подводит итог Ниилам.

Среди соавторов исследования также упоминаются аспиранты Чарудатта Галанде (Charudatta Galande) и Акшай Маткар (Akshay Mathkar), доктор Вей Гао (Wei Gao) из знаменитой Национальной Лаборатории в Лос-Аламосе, ученый Арава Леела Мохана Редди (Arava Leela Mohana Reddy), практикантка из Института Квантовых Исследований Андреа Миранда (Andrea Miranda), а также доктор Александру Влад (Alexandru Vlad) из Бельгийского Католического Университета в Лёвене (the Université Catholique de Louvain).