Американские ученые разработали эластичные аккумуляторы, для получения гибких электродов взяв за образец кубики сахара. Новый натрий-ионный аккумулятор по электрохимическим свойствам похож на привычный литий-ионный.
Невозможно представить современный мир, не использующий литий-ионные батарейки и аккумуляторы. Однако в ближайшие лет двадцать лития, скорее всего, не хватит на дальнейшее изготовление батареек. Литий – редко встречающийся металл, в земной коре содержится гораздо больше другого щелочного металла — натрия, поэтому ученые нацелились на то, чтобы заменить в портативных источниках питания литий на натрий. До сегодняшнего дня такие разработки уже делались, но им не хватало гибкости и эластичности литий-ионных аналогов. Эти свойства нужны батарейкам для того, чтобы электроника, которую нужно переносить на человеческом теле в движении, работала без сбоев (например, накожные датчики определения физического состояния, медицинские имплантаты, гибкие смартфоны.)
И вот недавно эластичность была достигнута химиками из Техаса. В их методе гибкие электроды получались при помощи использования… кубиков сахара. Именно рафинад помог придать электродам нужную форму, размер и пористость.
Сначала ученые помещали кубик сахара в чашку Петри, где находился гель эластичного кремнийсодержащего полимера — полидиметилсилоксана. Чашку Петри ставили в нагретую вакуумную камеру, там гель проникал в поры кубика сахара за счет капиллярного эффекта, и полимер формировал губку, повторяющую структуру пустот в сахаре. Затем сахар растворяли в дистиллированной воде, полимер же, естественно, оставался на месте. Так исследователи добились гибкой и эластичной основы электрода.
Затем поры полимерной губки наполнили оксидом графена, который, в конце концов, восстанавливали с помощью иодоводорода до электропроводной восстановленной формы. Полимерный электрод менял цвет по мере «приготовления»: коричневый композитный материал из полидиметилсилоксана и оксида графена при восстановлении оксида графена и превращении композиции в проводник становится черным.
На выходе получился материал, имеющий необходимую эластичность, прочность, быстроту транспорта ионов натрия и емкости. Полностью заряженный аккумулятор с электродами, полученными с помощью сахара, может растянуться вполовину своей исходной длины, что зависит от механических свойств полидиметилсилоксана.
Вероятно, если модифицировать полидиметилсилоксан либо разработать новый нанокомпозитный материал на основе другого эластомера, то эластичность электродов увеличится еще больше. Модель натрий-ионного аккумулятора сохраняет 90 % емкости после ста растяжений аккумулятора на максимальную длину и возвращения в исходное состояние.
Тест. Натрий-ионный аккумулятор на локтевом бандаже. В любом положении руки светодиодный фонарь светит.
Впрочем, до массового выпуска таких аккумуляторов еще далеко: необходимо продлить время их работы, а также увеличить размер и емкость. Возможно, что «сахарный» метод получения пористого композитного материала поможет и в разработке гибких устройств, конвертирующих энергию возобновляемых источников в электроэнергию.
Комментарии