Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла

Ученые нашли способ получать высокое напряжение из тонкого листа пластика, используя лишь луч лазера.

Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла

Исследователи из Гуандунского технологического университета придумали новый способ создавать мощные и компактные устройства для хранения энергии — тонкопленочные суперконденсаторы (ТПС). В их основе — простая, но эффективная лазерная технология. Ученые с помощью лазера превращают листы коммерческой полиимидной бумаги в трехмерный графен — материал, который отлично накапливает и проводит электрический ток.

Этот графеновый лист выполняет сразу несколько ролей: он служит электродом, накапливающим энергию, проводником тока и механической основой всего устройства.

“

Обычные суперконденсаторы требуют громоздких металлических деталей и сложной проводки, чтобы соединить множество ячеек, — объясняет профессор Хуилонг Лю, ведущий автор статьи. — Наш метод упрощает и материалы, и конструкцию, при этом мы добиваемся высокого напряжения и стабильной работы.

Ученые тщательно изучили, как настройки лазера — плотность сканирования, мощность и скорость — влияют на структуру и электропроводность графена. Благодаря этой оптимизации им удалось наладить производство графеновых листов с низким электрическим сопротивлением и высокими электрохимическими свойствами. В новой конструкции гелевый электролит также работает как разделитель, а форма каждой ячейки задается самой полиимидной пленкой.

Самонесущие графеновые слои позволяют плотно складывать все компоненты, делая устройство компактным без ущерба для производительности. Важно, что все ячейки — от одиночной до полной стопки из 160 штук — показали стабильные и одинаковые результаты.

“

Главное преимущество в том, что нам не нужны металлические токосъемники и внешние соединители, — говорит соавтор работы професср Юн Чен. — Убрав лишние материалы и упростив сборку, мы можем увеличивать выходное напряжение, сохраняя устройство ультракомпактным.

Крошечное устройство объемом всего 3.8 см³ способно выдавать напряжение в 200 вольт. Этой мощности хватает, чтобы зажечь 100 светодиодов на 30 секунд или лампочку мощностью 3 ватта на 7 секунд. Метод, описанный в издании International Journal of Extreme Manufacturing, может помочь в создании источников питания для микроэлектроники нового поколения, особенно для устройств, работающих в суровых условиях или с жесткими ограничениями по пространству.

Команда планирует и дальше улучшать плотность энергии и рабочие напряжения этих устройств. Исследователи надеются, что их технология сможет питать носимые датчики, гибкую электронику и другие малогабаритные системы, которым нужен надежный источник энергии в сложных условиях.

Реальная польза этой работы выходит за рамки простого создания «маленькой батарейки». Ее потенциал заключается в упрощении и миниатюризации источников питания для стремительно развивающейся микро- и носимой электроники.

•Автономные сенсоры. Такие компактные и не требующие сложной сборки конденсаторы идеальны для распределенных сетей датчиков (например, для мониторинга состояния окружающей среды, структур зданий или в «умном» сельском хозяйстве). Их можно легко интегрировать в гибкие подложки.

•Электроника для экстремальных условий. Поскольку устройство не имеет металлических частей, которые подвержены коррозии, и использует стабильные материалы, такие как графен и полиимид, оно потенциально более устойчиво к воздействию агрессивных сред, высоких температур или влажности. Это открывает путь к применению в геологоразведке, оборонной технике или даже в космических аппаратах для питания микродронов и диагностических зондов.

•Имплантируемая медицинская электроника. Биосовместимость материалов (полиимид широко используется в медицине) и отсутствие токсичных металлов позволяют рассматривать эту технологию для создания источников питания для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и диагностических капсул, где надежность и компактность критически важны.

Основной вопрос, который остается открытым, касается масштабируемости технологии для коммерческого использования. В исследовании подробно описан лабораторный процесс с тщательным подбором параметров лазера. Однако перенос этой технологии на промышленное производство может столкнуться с трудностями:

1.Скорость и стоимость. Лазерное преобразование полиимида в графен — последовательный процесс. Насколько быстро и дешево можно будет производить тысячи таких устройств по сравнению с существующими методами? Требуются расчеты экономической эффективности.

2.Воспроизводимость. Обеспечение стабильного качества и идентичных характеристик каждой ячейки в больших производственных партиях — всегда сложная задача для таких высокоточных методов. Необходимо разработать надежные системы контроля качества.

Таким образом, работа является блестящим научным доказательством концепции, но между лабораторным образцом и серийным продуктом лежит путь инженерной оптимизации.

Один атом кобальта вместо грамма платины — формула дешевой энергии на 3570 циклов

Когда воздух превращается в топливо.

Учёные из Университета Монаша в Мельбурне представили разработку, которая может изменить подход к хранению чистой энергии. Им удалось создать рекордный цинк-воздушный элемент, использовав термообработанные трёхмерные материалы и введение атомов кобальта на уровне кристаллической решётки. Новый катализатор продемонстрировал характеристики, превосходящие коммерческие образцы на основе дорогостоящих металлов, таких как платина и рутений.

Команда под руководством старшего преподавателя кафедры химической и биологической инженерии Парамы Банерджи и аспиранта Саида Аскари применила нагрев, чтобы превратить объёмный материал в ультратонкие углеродные листы. В их структуру были встроены отдельные атомы кобальта и железа. Такая атомарная инженерия обеспечила высокую скорость переноса заряда и устойчивое функционирование системы на протяжении тысяч циклов.

Цинк-воздушные аккумуляторы представляют собой электрохимические ячейки, в которых цинковый анод взаимодействует с кислородом из воздуха. Они отличаются высокой энергоёмкостью, доступностью сырья и экологичностью, что делает их перспективными для применения в портативной электронике, электротранспорте и системах хранения возобновляемой энергии. Основные препятствия для их массового внедрения — ограниченная мощность и нестабильность при многократной зарядке и разрядке.

Австралийские инженеры сумели преодолеть эти барьеры. Их прототип выдержал 3570 циклов зарядки и разрядки, сохраняя стабильные характеристики в течение 74 дней непрерывных испытаний. Устройство обеспечило удельную мощность 229,6 милливатта на квадратный сантиметр и энергоёмкость 997 ватт-часов на килограмм. Для сравнения: большинство существующих цинк-воздушных систем не демонстрировали такой продолжительной и надёжной эксплуатации.

Аскари подчеркнул, что использование пар атомов кобальта и железа в сочетании с азотными добавками решает одну из ключевых проблем перезаряжаемых цинк-воздушных элементов, обеспечивая оптимальную кинетику реакций. Банерджи добавила, что батарея проработала более двух месяцев без серьёзной деградации параметров, что стало важным шагом для всей отрасли.

Исследователи отметили, что принципы, использованные в этой конструкции, можно применять не только в аккумуляторах. Подход с атомарным проектированием катализаторов подходит для топливных элементов, технологий электролиза воды и преобразования углекислого газа.

Сегодня цинк-воздушные элементы чаще всего используются в компактных приборах, например слуховых аппаратах. Однако новая разработка демонстрирует возможность создания мощных и перезаряжаемых решений для транспорта и энергетики. Учёные уверены, что технология готова выйти за рамки лабораторных экспериментов и перейти к практическому применению.

,

Австралийские ученые разработали электролит для стабильных водных цинковых батарей

Коллектив австралийских исследователей разработал новую электролитную систему для водных цинковых батарей (AZB), которые рассматриваются как более безопасная и экологичная альтернатива существующим решениям. Команда из Университета Аделаиды под руководством профессора Зайпин Го использовала воду с растворенными цинковыми солями в качестве электролита и цинковый металл в качестве анода, что делает батареи негорючими. Цинк является широко распространенным материалом с низким воздействием на окружающую среду и обеспечивает высокую объемную емкость батареи.

Однако широкому практическому применению этих батарей до сих препятствовали ограничения в стабильности работы. Узкий температурный диапазон приводит к ограниченному жизненному циклу, а неконтролируемые реакции между цинковым металлом и электролитом вызывают внутреннюю коррозию и нежелательное выделение водорода. Для преодоления этих ограничений исследователи предложили использовать раздельный двойной солевой электролит (DDSE).

В этой системе две различные цинковые соли работают совместно, улучшая характеристики электролита и контролируя поведение ионов внутри батареи. Одна соль, перхлорат цинка, остается преимущественно в жидкости, регулируя движение ионов и повышая морозостойкость батареи для работы в холодных условиях. Другая соль, сульфат цинка, образует защитный слой на поверхности цинкового металла, предотвращая повреждение и коррозию. Как пояснил первый автор исследования Гуанцзе Ли, такой подход позволяет батарее быстро заряжаться, работать в течение многих циклов в широком диапазоне температур и с минимальными потерями энергии в режиме простоя.

В ходе испытаний аккумуляторные элементы продемонстрировали стабильность, сохранив 93 процента своей емкости после 900 циклов зарядки-разрядки. При этом они работали в экстремально широком температурном диапазоне от -40 °C до +40 °C. Соавтор работы доктор Шилин Чжан отметил, что это первый случай достижения столь сбалансированных показателей в данной области. В отличие от традиционных конструкций с использованием высококонцентрированных или гибридных органическо-водных электролитов, новая стратегия сохраняет негорючесть, доступность и экологичность формулы, присущие водным системам. Благодаря этому усовершенствованному электролиту цинковые батареи могут найти применение в интеллектуальных сетях и электромобилях, особенно в условиях, где использование литий-ионных аккумуляторов ограничено из-за проблем с поставками лития и экологических недостатков.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Австралийские ученые разработали электролит для стабильных водных цинковых батарей

Коллектив австралийских исследователей разработал новую электролитную систему для водных цинковых батарей (AZB), которые рассматриваются как более безопасная и экологичная альтернатива существующим решениям. Команда из Университета Аделаиды под руководством профессора Зайпин Го использовала воду с растворенными цинковыми солями в качестве электролита и цинковый металл в качестве анода, что делает батареи негорючими. Цинк является широко распространенным материалом с низким воздействием на окружающую среду и обеспечивает высокую объемную емкость батареи.

Однако широкому практическому применению этих батарей до сих препятствовали ограничения в стабильности работы. Узкий температурный диапазон приводит к ограниченному жизненному циклу, а неконтролируемые реакции между цинковым металлом и электролитом вызывают внутреннюю коррозию и нежелательное выделение водорода. Для преодоления этих ограничений исследователи предложили использовать раздельный двойной солевой электролит (DDSE).

В этой системе две различные цинковые соли работают совместно, улучшая характеристики электролита и контролируя поведение ионов внутри батареи. Одна соль, перхлорат цинка, остается преимущественно в жидкости, регулируя движение ионов и повышая морозостойкость батареи для работы в холодных условиях. Другая соль, сульфат цинка, образует защитный слой на поверхности цинкового металла, предотвращая повреждение и коррозию. Как пояснил первый автор исследования Гуанцзе Ли, такой подход позволяет батарее быстро заряжаться, работать в течение многих циклов в широком диапазоне температур и с минимальными потерями энергии в режиме простоя.

В ходе испытаний аккумуляторные элементы продемонстрировали стабильность, сохранив 93 процента своей емкости после 900 циклов зарядки-разрядки. При этом они работали в экстремально широком температурном диапазоне от -40 °C до +40 °C. Соавтор работы доктор Шилин Чжан отметил, что это первый случай достижения столь сбалансированных показателей в данной области. В отличие от традиционных конструкций с использованием высококонцентрированных или гибридных органическо-водных электролитов, новая стратегия сохраняет негорючесть, доступность и экологичность формулы, присущие водным системам. Благодаря этому усовершенствованному электролиту цинковые батареи могут найти применение в интеллектуальных сетях и электромобилях, особенно в условиях, где использование литий-ионных аккумуляторов ограничено из-за проблем с поставками лития и экологических недостатков.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Исследование MIT меняет представление о работе литий-ионных аккумуляторов

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв в понимании химии литий-ионных аккумуляторов, что открывает путь к созданию более мощных батарей для электромобителей с ускоренной зарядкой. Ученые разработали новую модель, которая переопределяет фундаментальную химическую реакцию, лежащую в основе работы таких аккумуляторов, – интеркаляцию. Производительность литий-ионных батарей определяется скоростью, с которой ионы лития внедряются в твердый электрод. Именно этот процесс управляет тем, как быстро аккумулятор может заряжаться и разряжаться, однако точный механизм, контролирующий эту скорость, до сих пор оставался неясным.

Новое исследование MIT включало точное измерение скоростей, с которыми ионы лития встраиваются в различные материалы электродов, и использование этих данных для создания пересмотренной модели данного процесса. Эта модель, названная Моделью Сопряженного Переноса Иона и Электрона (CIET), предполагает, что скорость контролируется реакцией сопряженного переноса иона и электрона. В этой реакции электрон переносится на электрод одновременно с ионом лития.

Модель может проложить путь к созданию более мощных и быстро заряжающихся литий-ионных аккумуляторов. Как пояснил профессор математики MIT Мартин Базант, долгое время ученые полагали, что скорость интеркаляции лития ограничена тем, как быстро ионы могут диффундировать, и это описывалось уравнением Батлера-Фольмера. Однако экспериментальные данные часто сильно различались и редко соответствовали его предсказаниям. Команда MIT использовала специальный электрохимический метод – применение повторяющихся коротких импульсов напряжения – для точного измерения скоростей интеркаляции. Полученные данные для более чем 50 комбинаций электролитов и электродов показали, что скорости интеркаляции значительно ниже, чем считалось ранее, и не соответствуют старой модели.

Разработанная альтернативная теория основана на том, что ион лития может внедриться в электрод только в том случае, если электрон одновременно переносится из электролита на электрод. Именно этот процесс, при котором литий интеркалируется в то же время, что и переносится электрон, и они способствуют друг другу, истинно контролирует скорость реакции. Этот механизм CIET также понижает энергетический барьер для реакции, становясь ее настоящим регулятором скорости.

Полученные данные предлагают два основных пути для улучшения аккумуляторов. Во-первых, это ускоренная зарядка: понимание того, как контролируется скорость реакции, позволит исследователям ускорить реакцию интеркаляции лития. Во-вторых, увеличение срока службы за счет снижения деградации батареи, поскольку модель может помочь уменьшить нежелательные побочные реакции. Исследование также показало, что скоростью интеркаляции можно активно управлять, изменяя состав электролита.

Результаты работы были опубликованы в журнале Science.

Учёные совершили прорыв в создании твёрдых электролитов для аккумуляторов будущего

Учёные из Японии совершили прорыв в области разработки электролитов, который может приблизить создание аккумуляторов нового поколения. Исследователи из Университета Тохоку подтвердили, что такие методы спекания под давлением, как горячее прессование (HP) и спекание в импульсном электрическом разряде (SPS), являются эффективными для создания аккумуляторов будущего. Твердотельные литиевые металлические батареи привлекают внимание во всём мире как перспективная технология, обещающая более высокую плотность энергии и повышенную безопасность по сравнению с современными литий-ионными аккумуляторами. Команда также отметила, что одним из наиболее многообещающих кандидатов на роль твёрдого электролита является оксид гранатового типа LLZO, который сочетает высокую ионную проводимость с сильной химической стабильностью. Однако задача создания тонких, плотных и свободных от дефектов керамических мембран долгое время оставалась сложной, ограничивая крупномасштабное применение.

Обычно оксидные твёрдые электролиты требуют длительного высокотемпературного спекания, часто длящегося несколько часов при температурах выше 1000 °C. Эти условия приводят к испарению лития, высоким производственным затратам и плохой масштабируемости. Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к методам спекания под давлением, таким как горячее прессование и спекание в импульсном электрическом разряде. В частности, часто считалось, что SPS обладает уникальными преимуществами из-за предполагаемого «плазменного эффекта». Исследование, опубликованное в журнале Small, систематически сравнило эти два метода при обработке LLZO. Результаты показывают, что оба метода достигают почти полного уплотнения, около 98%, менее чем за пять минут, без существенных различий в ионной проводимости или микроструктуре. Исследователи подтвердили, что уплотнение обусловлено приложенным давлением и нагревом, как и при горячем прессовании, а не каким-либо особым «плазменным эффектом».

«Наши выводы показывают, что SPS не является по своей природе превосходящим методом по сравнению с горячим прессованием», — заявили авторы работы. Эти данные помогают как исследователям, так и производителям принимать обоснованные решения, основанные на стоимости, доступности оборудования и масштабируемости, а не на ошибочных представлениях. Результаты исследования оспаривают широко распространённое предположение в этой области и подчёркивают, что метод HP или SPS можно выбирать, основываясь на стоимости, доступности оборудования и потребностях в масштабируемости. Для производителей и исследователей, работающих над продвижением твердотельных батарей, сообщение ясно: оба подхода одинаково эффективны для оксидных твёрдых электролитов, таких как LLZO. Развенчивая миф о превосходстве SPS, это исследование открывает дорогу для более гибких и экономически эффективных производственных стратегий, ускоряя путь к более безопасным и высокопроизводительным твердотельным аккумуляторам. Анализ также подтверждает, что уплотнение в основном определяется нагревом, осуществляемым под давлением. Эта работа даёт представление об оптимизации высокотемпературного спекания плотных оксидных твёрдых электролитов для аккумуляторов следующего поколения.

Учёные сделали экологичный аккумулятор на витамине B2

Прогресс в развитии аккумуляторов движется по разным направлениям, включая поиск биоразлагаемых и безопасных для природы и человека ингредиентов батарей. Новым и перспективным открытием на этом пути стала разработка проточной батареи на основе процессов, имитирующих выработку энергии в теле человека. Более безопасную технологию просто трудно представить — основными составляющими процесса являются витамин B2 и глюкоза.

Витамин и ложка сахара буквально могут стать основой для нового поколения экологически чистых аккумуляторов. Об открытии в журнале ACS Energy Letters сообщили исследователи Бингемтонского университета в США (Binghamton University, SUNY). Разработка не использует металлические катализаторы и опасные соединения для электродов и электролита. Окисление глюкозы высвобождает электроны, а переносчиком зарядов выступает рибофлавин — обычный витамин B2. Примерно такие процессы происходят в организме человека, когда глюкоза из пищи с помощью ферментов и молекул превращается в энергию для поддержания жизни, а рибофлавин является её фактическим переносчиком.

Проточные аккумуляторы отличаются от обычных тем, что в них энергия накапливается в жидком электролите, который циркулирует по системе. Когда электролит перемещается между положительным и отрицательным электродами, он вступает в химические реакции, в результате которых энергия высвобождается или накапливается. Сегодня наиболее распространены ванадиевые проточные батареи. Прототип проточной батареи на витамине и глюкозе при комнатной температуре показал себя не хуже коммерческой ванадиевой, что подчёркивает хорошие перспективы разработки.

Более того, в новой конструкции биоразлагаемого аккумулятора традиционные катализаторы из золота и платины заменены углеродными электродами. У отрицательного электрода глюкоза окислялась, теряя электроны, которые тут же подхватывал витамин B2, а у положительного электроны вступали в связь благодаря кислороду либо феррицианиду калия, создавая ток. При этом витамин рибофлавин оставался стабильным даже в сильно подщелоченной среде, необходимой для поддержания активности глюкозы.

Элемент на основе феррицианида калия показал такую же удельную мощность при комнатной температуре, как и коммерческие ванадиевые проточные батареи. Это доказывает, что рибофлавин может работать наравне с системами на основе металлов. Версия на основе кислорода реагировала медленнее, но была более практичной и экономичной для крупномасштабного производства. Небольшой проблемой стало разрушение рибофлавина на свету в присутствии кислорода, но это решаемо. Привлекательной остаётся более высокая удельная мощность батареи в присутствии кислорода.

Напечатанный на 3D-принтере прототипе батареи на витамине и глюкозе. Источник изображения: Binghamton University

После доработки аккумуляторная система на основе рибофлавина и глюкозы может стать важным шагом на пути к устойчивому хранению энергии. Благодаря натуральным, биоразлагаемым и недорогим компонентам такие аккумуляторы однажды могут стать экологичной альтернативой для питания домов или небольших устройств без использования токсичных металлов и зависимости от сложных цепочек поставок.

Учёные преодолели ключевое ограничение натрий-ионных батарей с помощью нового анода

Учёные из США совершили значительный прорыв в технологии аккумуляторов, разработав оловянный анод, который позволяет натрий-ионным батареям превзойти по плотности энергии коммерческие литий-железо-фосфатные элементы. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и компании Unigrid Battery достигли выдающейся плотности энергии благодаря новой простой, но мощной конструкции. Полностью собранные ячейки в мягкой упаковке демонстрируют рекордные показатели в 178 ватт-часов на килограмм и 417 ватт-часов на литр.

Натрий-ионные батареи долгое время считались перспективной альтернативой литий-ионным, поскольку натрий является распространённым, недорогим и доступным материалом, что делает его устойчивым выбором для крупномасштабного хранения энергии. Однако главным сдерживающим фактором развития этой технологии оставалась ограниченная плотность энергии, во многом обусловленная использованием традиционных анодов из твёрдого углерода.

Для преодоления этого ограничения исследователи обратились к олову — металлу, способному образовывать высокоёмкие сплавы с натрием и хранить почти в три раза больше заряда. На практике оловянные аноды сталкивались с серьёзными проблемами, такими как большое объёмное расширение и плохая совместимость с электролитом, что приводило к быстрой деградации. Однако учёные выяснили, что для достижения стабильной работы потребовалась минимальная модификация: они использовали электрод из почти чистого олова, который создаёт высокопроводящую и механически стабильную структуру.

Новый оловянный анод продемонстрировал исключительную стабильность в паре с катодом из натрий-хромового оксида. Пакетные ячейки сохранили около 90% своей ёмкости после 100 циклов зарядки-разрядки, при этом было зафиксировано минимальное рост сопротивления. Микроскопические исследования показали, что в процессе циклов олово реорганизуется в более однородную и взаимосвязанную структуру, способствующую равномерному распределению натрия и подавлению деградации.

Учёные уверены, что оловянные аноды могут вывести натрий-ионные батареи на уровень конкуренции с ведущими современными технологиями. Это открытие может найти применение в таких областях, как накопление энергии, интеграция возобновляемых источников и электрическая мобильность.

Исследование было опубликовано в Journal of The Electrochemical Society.

На видео демонстрация теплового разгона (неконтролируемого саморазогрева литиевых аккумуляторов при повреждении или КЗ), когда выделяющееся тепло запускает экзотермические реакции в соседних ячейках, что приводит к каскадному разрушению всей батареи с выделением огромного количества энергии, огня и токсичного дыма.

Новый органический аккумулятор выдерживает 40 000 циклов зарядки

Ученые из Китая и Сингапура разработали батарею HAT-TP с добавлением цинка, способную преодолеть основные ограничения органических аккумуляторов — низкую мощность и нестабильность. Новый полимерный материал обеспечивает начальное напряжение 1,32 В и сохраняет 93% емкости после 40 000 циклов зарядки-разрядки. Разработка открывает путь к безопасным, перерабатываемым и эффективным источникам энергии для гибкой электроники и больших систем хранения данных.

Органические батареи могли бы стать идеальным решением для хранения энергии благодаря легкости, перерабатываемости и отсутствию токсичных металлов. Однако им не хватает мощности и стабильности. Исследователи создали новый полимерный материал, который преодолевает эти ограничения, обеспечивая рекордное напряжение и долговечность.

Аккумулятор HAT-TP основан на гексаазатрифенилене и триптиценовых фрагментах, объединенных в трехмерный полимерный каркас. Такая структура увеличивает количество электроактивных центров и улучшает проводимость. Она также снижает растворимость катода в электролите, что хорошо сказывается на сроке службы батареи. В результате аккумулятор демонстрирует стабильную работу и выдающиеся электрохимические свойства.

Механизм работы батареи основан на обратимой совместной вставке ионов цинка (Zn²⁺) и протонов (H⁺), что позволяет аккумулятору переносить пять электронов и демонстрировать высокую окислительно-восстановительную активность. Теоретические расчеты показали, что в HAT-TP ионы цинка и протоны особенно прочно связываются с полимерной структурой. Это объясняет, почему батарея способна выдавать высокое напряжение при разряде.

Испытания показали, что батарея обеспечивает начальное напряжение 1,32 В и среднее напряжение 1,17 В, а также сохраняет более 93% емкости после 40 000 циклов при нагрузке 5 А·г⁻¹ с почти 100% кулоновской эффективностью. Это один из самых высоких показателей долговечности для цинк-органических аккумуляторов на водной основе. Плотность энергии составила 192,8 Вт·ч·кг⁻¹.

Батареи HAT-TP могут применяться в крупномасштабных хранилищах энергии, а также в гибкой и носимой электронике, где важны легкость, безопасность и экологичность. Исследователи полагают, что принципы проектирования трехмерных полимеров можно перенести на другие аккумуляторные системы, включая литий-серные и натриевые батареи.

Создан прорывной катод на основе железа для литий-ионных батарей

Исследователи из США создали катодный материал на основе железа, который отдает и принимает пять электронов вместо обычных двух-трех, что значительно увеличит потенциал аккумулятора. Доступность железа делает его привлекательной заменой кобальту и никелю в литий-ионных аккумуляторах, однако на сегодня литий-ионные аккумуляторы с катодами из железа имеют низкое напряжение. Помимо литий-ионных аккумуляторов, эта технология может найти применение в магнитно-резонансных томографах, маглев-поездах и, возможно, в сверхпроводниках.

Для того чтобы избавиться от зависимости от дорогостоящего кобальта, производство которого во многом контролирует Китай, производители литий-ионных батарей переходят на литий-железо-фосфатные катоды. Появление более высоковольтных аккумуляторов позволило бы производителям полностью отказаться от использования никеля и кобальта. С этой целью ученые из Стэнфордского университета синтезировали новый материал из лития, железа, сурьмы и кислорода. И продемонстрировали его стабильность.

Железо регулярно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, высвобождая и поглощая электроны. Как правило, атомы железа ограничивают свой вклад в ОВР двумя или тремя из 26 электронов. Ученые решили подстегнуть этот процесс и заставить железо отдавать и принимать пять электронов на один атом.

Исследователи предположили, что ключом к этому должно стать предотвращение сближения атомов железа в кристаллической структуре материала. В противном случае побочные реакции предотвратят более высокую степень окисления железа. Использование такого материала в катоде литий-ионного аккумулятора позволит аккумулятору накапливать больше энергии и обеспечит более высокое напряжение, пишет Stanford News.

Поначалу кристаллическая структура материала не выдерживала и ломалась во время зарядки. Для решения этой проблемы ученые уменьшили материал до 300-400 нм, вырастив его в растворе.

Электрохимические испытания и спектрограммы подтвердили, что энергетический потенциал материала увеличился. Детальное моделирование спектров показало, что два дополнительных электрона исходят не от атомов железа, а от кислорода с участием железа.

В отличие от предыдущего материала, который скручивался и разрушался после того, как ионы лития отделялись и направлялись к аноду во время зарядки, материал, изготовленный из наночастиц, немного изгибался, чтобы заполнить освободившиеся литиевые пространства, но оставался целым.

Теперь, когда ученые разобрались, как повысить уровень окисления железа и поддерживать его в этом состоянии, они принялись за решение практических инженерных задач: изменение формы частиц, состава материала и химических свойств, чтобы найти комбинацию, подходящую для коммерческого применения. Важнейшей задачей является поиск замены сурьме. Как и кобальт, это дорогой минерал, зависящий от логистики, но у команды есть несколько кандидатов на замену.

Британская компания Altilium производит батареи для электромобилей, изготовленные почти на 100% из переработанных материалов. Первоначальные результаты испытаний показывают, что их производительность не уступает элементам, изготовленным традиционным способом.

Учёные создали искусственные белки для безопасного хранения энергии

Испанские исследователи совершили значительный шаг в развитии экологически чистой энергетики и биоэлектроники, создав искусственные белки, способные транспортировать и накапливать электрическую энергию. Эта разработка открывает путь к созданию нового поколения устойчивых и биосовместимых проводящих материалов. Работа была проведена специалистами из CIC biomaGUNE в сотрудничестве с партнерами из BCMaterials и CIC energiGUNE.

Ключевое преимущество этой белковой технологии заключается в её безопасности и устойчивости. В будущем такие проводящие белки могут заменить традиционные, зачастую токсичные материалы, используемые сегодня в аккумуляторах и суперконденсаторах. Искусственные белки были созданы в лаборатории с использованием модульного подхода. Они состоят из небольших повторяющихся молекулярных единиц, которые, подобно кирпичикам LEGO, последовательно собираются в более крупную, высокоупорядоченную и стабильную структуру. Эта модульность позволяет исследователям легко наделять материал специфическими функциями, такими как эффективная ионная проводимость.

Для достижения проводящих свойств учёные применили целенаправленный биологический метод, генетически модифицируя ДНК, которая содержит инструкции по производству белка. Это изменение генетического кода позволило перепроектировать конечный белок, наделив его способностью к успешному перемещению электрического заряда. Как пояснили разработчики, внесённые в белок изменения облегчили движение ионов внутри материала, и благодаря этому свойству ионной проводимости белки были успешно интегрированы в устройство для накопления энергии, способное очень быстро сохранять и высвобождать энергию.

Врождённая биосовместимость этих белков делает их гораздо более безопасными для человеческого организма по сравнению с существующими электронными компонентами из металлов или кремния, которые могут вызывать раздражение и повреждение тканей. Новая технология может найти применение в создании медицинских имплантатов следующего поколения, таких как кардиостимуляторы, имплантируемые датчики глюкозы и мозговые электроды для лечения неврологических заболеваний. В перспективе даже портативная электроника, например телефоны и фитнес-трекеры, может работать от энергии, запасённой в биоразлагаемых, экологически безопасных материалах.

Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Advanced Materials.

В Мексике разработали безопасную цинк-воздушную батарею, которая не боится повреждений и воды

Мексиканские исследователи разработали революционную цинк-воздушную батарею, которая продолжает работать даже после прокола, воздействия открытого огня или полного погружения в воду. Ученые из Центра исследований передовых материалов (CIMAV) в Мексике, создавшие прототип, утверждают, что в аналогичных условиях традиционные литий-ионные аккумуляторы, используемые в смартфонах и электромобилях, с большой вероятностью воспламенились бы. Руководитель проекта, доктор наук Ноэ Архона, заявил, что данная технология демонстрирует путь к созданию более безопасных и экологичных систем хранения энергии, поскольку исключает использование легковоспламеняющихся материалов, характерных для литий-ионных элементов.

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые зависят от дорогостоящих и токсичных лития и кобальта, добыча которых наносит вред окружающей среде, новая батарея использует кислород из воздуха для генерации энергии. Внутри элемента углеродная пластина с распределенными атомами никеля заменяет объемные металлические электроды, что значительно сокращает количество необходимого сырья при сохранении высокой производительности. Для анализа прототипа на молекулярном уровне исследователи использовали синхротрон Canadian Light Source в Университете Саскачевана. Мощные рентгеновские лучи подтвердили равномерное распределение атомов никеля по углеродной поверхности. Эта структура в сочетании с гелевым электролитом и цинком устранила риски возгорания, присущие батареям с большим содержанием металла и легковоспламеняющихся электролитов.

Для проверки устойчивости элемента ученые провели серию жестких испытаний: проткнули его гвоздем, подожгли и погрузили в воду. После каждого теста прототип оставался полностью функциональным, демонстрируя беспрецедентный уровень прочности и безопасности. Кроме того, конструкция батареи сохраняла стабильность и эффективность при экстремальных температурах, не показывая значительной потери производительности ни в сильную жару, ни в мороз. Как отметил Архона, такая технология может решить проблему зарядки аккумуляторов электромобилей в условиях очень холодного климата.

Ученые надеются, что устойчивость их разработки сделает цинк-воздушные батареи идеальными для электромобилей, аэрокосмических систем и удаленных датчиков, работающих в сложных условиях. Использование доступных металлов, таких как никель, вместо лития или кобальта, может дополнительно снизить стоимость. Команда также изучает возможности внедрения биоразлагаемых компонентов, которые после окончания срока службы батареи могли бы обогащать почву и поддерживать рост растений. При этом Архона подчеркнул, что, несмотря на оптимизм, необходимы дальнейшие исследования, прежде чем эта разработка сможет заменить существующие аккумуляторы.

Исследование было опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.