Автомобильная батарея Томаса Эдисона получила новую жизнь
В 1901 году Томас Эдисон создал перезаряжаемую железоникелевую аккумуляторную батарею. Он надеялся, что эта технология будет применяться в электромобилях. Но низкая скорость выделения энергии и длительное время зарядки привели к замене таких аккумуляторов свинцово-кислотными и литий-ионными батареями, как в стандартных автомобилях, так и в электромобилях.
Теперь, спустя более ста лет после ее изобретения, «батарея Эдисона» пережила второе рождение – и она быстрее, дешевле и мощнее, чем когда-либо. Обретет ли она новую жизнь в электромобилях будущего?
Оригинальную батарею Эдисона ценили за ее выносливость и надежность, но у электропитания этого аккумулятора были существенные недостатки. Типичная железоникелевая батарея заряжается несколько часов, и скорость ее разряда была очень медленной.
Чтобы справиться с этими недостатками, команда исследователей во главе с химиком Стэндфордского университета Хонджи Дэем решила усовершенствовать идею Эдисона путем соединения оригинальной разработки ХХ столетия с нанотехнологиями ХХI века. Результатом стала обновленная батарея Эдисона, которая способна заряжаться и разряжаться со скоростью, почти в 1000 раз превышающей оригинал.
Модернизация, проведенная исследователями, основывается на сложных химических углеродных реакциях, которые были опубликованы в последнем номере Nature Communications. Углерод часто используется для улучшения электрической проводимости в электродах.
«Проблема в том, как использовать весь потенциал этого углерода, – объясняет ведущий автор Хайлян Ван. – В обычных электродах люди беспорядочно смешивают материалы железа и никеля с проводящим углеродом. Вместо этого мы вырастили нанокристаллы окиси железа на графене (тонкий лист углерода толщиной в один атом, образующий кристаллическую решетку) и нанокристаллы гидроокиси никеля на углеродных нанотрубках (цилиндры из молекул углерода, также соединенные в кристаллическую решетку).
Полученные химические связи оказали замечательный эффект на работу батареи. «Присоединение частиц никеля и железа к углеродному основанию позволяют электрическим зарядам быстро перемещаться между электродами и внешней цепью, – объяснил Дэй. – Результатом является ультрабыстрая версия железоникелевой батареи, которая способна заряжаться и разряжаться за секунды».
Ученым удалось вдохнуть новую жизнь в старую идею. Фото с сайта gawkerassets.com
Исследователи уже воплотили в жизнь свою разработку в опытном образце одновольтной «ультрабыстрой» батареи, которая способна заряжаться за две минуты и разряжаться за 30 секунд. Этот крошечный источник энергии обладает достаточной мощностью, чтобы управлять фонарем, но все начинается с малого; команда уже повсюду ищет применение для батареи – от автомобилей до электрической инфраструктуры.
От фонаря к Fiat. Фото с сайта gawkerassets.com
«Размер батареи можно варьировать, – говорит Ван. – Никель, железо и углерод стоят относительно недорого. А электролит – это просто вода с гидроокисью калия, которые также очень дешевы и безопасны. Это не взрывоопасно для автомобиля».
Однако удельная энергия батареи все еще слишком мала для того, чтобы она могла служить автономным источником энергии. «Но она может дополнять литий-ионные аккумуляторы, давая им настоящий энергетический толчок для более быстрого ускорения и динамического торможения», – отмечает Ван.
Новое устройство может работать рядом с обычными батареями, повысить мощность электромобилей. Изображение с сайта abc.net.au
Еще один основной недостаток батареи – она теряет 20% своей емкости за 800 зарядных циклов. Это сопоставимо с литий-ионным аккумулятором, но авторы признают, что скорость их батареи, вероятно, означает достижение отметки в 800 зарядок быстрее, чем у традиционных источников энергии.
Однако, по всеобщему признанию, эта модернизация является образцом по-настоящему творческой химии, которая возвращает к жизни старую технологию, объявляя о начале «нового поколения железоникелевых батарей как новых устройств для электрохимического аккумулирования энергии».
Результаты исследований опубликованы в последнем номере Nature Communications.
