Литий-ионные батареи могут перезаряжаться за минуты, совсем не подорожав

 

Мы уже сбились со счёту, описывая явленные миру литиевые батареи с зарядкой-разрядкой за минуты вместо нынешних часов. Вот только всё это требовало экзотических материалов — нанокристаллов титаната лития, графена, золота и т. п. Легко догадаться, что ни один из этих образцов не завоевал пока рынок: дороговаты материалы.

Исследователи из Ульсанского национального института науки и технологии (Южная Корея) добились повышения скорости забора и отдачи энергии обычными литий-ионными батареями без каких-либо дорогостоящих инноваций: они всего лишь покрыли литий графитом, по стоимости не превосходящим цену грифеля в вашем любимом карандаше.

Благодаря погружению в раствор, насыщенный графитом, на поверхности катода образуется тонкий проводящий углеродный слой, резко ускоряющий зарядку-разрядку. (Иллюстрация Sanghan Lee et al.)

Чтобы добиться нужного эффекта, разработчики вымачивали стандартный катодный материал — литий-марганцевый оксид — в растворе, содержащем графит. Катод карбонизируется, а графит остаётся на материале катода в виде сетки проводящих дорожек. Благодаря этому при подаче тока все контактирующие с дорожками литиевые участки катода начинают заряжаться одновременно, а не слой за слоем, как это происходит в обычном аккумуляторе. То же самое имеет место при разрядке.

В результате скорость этих процессов увеличивается от 30 до 120 раз (в зависимости от температуры). У вас обычный электромобиль? Радуйтесь, на его полную зарядку уйдёт не более 15 минут.

Впрочем, несмотря на оптимистичные заявления Министерства образования, науки и технологии Южной Кореи, мы не стали бы повторять за ним, что «разработка такой батареи существенно поднимет популярность электромобилей, аккумуляторы которых требуют часы для зарядки». Не только электромобилям, но даже гибридам до тех пор предстоит решить множество других проблем, среди которых выделяются высокая стоимость (обычные авто в два раза дешевле), низкая ёмкость и связанный с ней никакой запас хода, а также — что особенно актуально для России — низкая эффективность при отрицательных температурах.

---

Тритиевая батарейка прослужит десятки лет, не боясь морозов и перегрева
Автор: Андрей Васильков

В американской компании City Labs создана первая партия элементов питания нового поколения на основе радиоактивного изотопа водорода – трития. Они чрезвычайно долговечны, работают в широких диапазонах температур и выдерживают длительное воздействие неблагоприятных физических факторов.

Молодая компания была основана в 2005 году. Её отдел разработок возглавляет кандидат физико-математических наук Ларри Олсен (Larry Olsen), создавший первую коммерческую модель радиоизотопного источника энергии в конце 1970-х. Тогда по заказу McDonnell Douglas была изготовлена и успешно использована в кардиостимуляторах партия из нескольких сотен «ядерных батареек».

Новые долговечные автономные источники энергии основаны на простом физическом эффекте: тритий подвергается естественному бета-распаду, испуская электрон. Электроны накапливаются на одной металлической пластинке и формируют разность потенциалов по отношению ко второй, образуя электродную пару.

Сложность практической реализации состоит в подборе оптимальной геометрии всего элемента, расчётах многослойной микроструктуры и применении материалов с высокой степенью чистоты.

Тритевая батарейка P100 образца 2008 года

Энергия электронов, высвобождаемых в ходе радиоактивного распада трития, довольно мала (менее 18,6 кэВ). Поэтому электроны полностью задерживаются даже тонкими материалами, не говоря уже о специально спроектированной оболочке корпуса батарейки. 

В отличие от традиционных элементов питания, тритиевые источники не содержат щелочных электролитов, в них не происходит заметного повышения давления, и отсутствуют другие причины для нарушения целостности.

Из-за низкой энергии электронов и высокой надёжности конструкции «ядерные батарейки» могут представлять радиационную опасность только в случае умышленного вскрытия корпуса и проглатывания содержимого. При простой разгерметизации даже длительное наружное воздействие будет ничтожным.
 
Тритиевые источники питания оправданы в тех областях, где требуется максимально длительная автономная работа, и отсутствует потребность в большой силе тока.

Модель P100, представленная в 2008 году, характеризовалась напряжением 0,75 В и максимальной мощностью 75 наноВатт. За последние четыре года компанией были достигнуты значительные успехи.

Тритиевая батарейка EOL20KY15 образца 2011 года

Последняя разработка City Labs – модель EOL20KY15 предусматривает поверхностный монтаж на плате. Она обеспечивает напряжение 3,0 В и плавное снижение мощности от 50 мкВт в начале до 16 мкВт в конце срока использования. Подобно другим элементам питания, их можно соединять в цепь параллельно или последовательно, увеличивая силу тока или напряжение.

Среди приборов, в которых целесообразно применять «ядерные батарейки», указываются имплантаты, сенсоры, часы, прицелы с подсветкой, системы малогабаритной индикации, а также другая маломощная электроника. 

Активные разработки элементов питания, использующих бета-распад, велись с 1953 года. За прошедшее время были опробованы радиоактивные изотопы различных элементов: стронция (Sr-90), иттрия (Y-90), прометия (Pm-147), никеля (Ni-63) и других. Все прототипы оказались малоэффективными и быстро деградировали из-за разрушения внутренней структуры мощным потоком электронов. 

Слаботочные тритиевые батарейки гораздо долговечнее перечисленных аналогов. Компания гарантирует работоспособность в интервале температур от -40°С до +80°С в течение 20 лет. В то же время, по результатам экспертной оценки специалистов компании Lockheed Martin тритиевые элементы питания способны длительное время выдерживать охлаждение до -50 и нагрев до +150°С.

Пока компания выпускает штучные экземпляры, стоимость которых превышает две тысячи долларов. По мере роста производственных мощностей цены будут падать до более приемлемого уровня.

Копаст: №1, №2