Использование кремниевых наночастиц вместо графита позволит уменьшить вес батарей и ускорить процесс их зарядки.
Ученые из Клемсонского университета, расположенного в штате Южная Каролина, создали технологию, предназначенную для производства более облегченных и быстрозаряжаемых источников энергии для марсианских исследовательских аппаратов и спутников. О разработке написано в статье опубликована в издании ACS Applied Materials & Interfaces.
Масса батареи играет ключевую роль в космических миссиях. По словам одного из авторов исследования, Рамакришны Подила, «хотя большинство аппаратов получают питание от солнечной энергии, спутники должны обладать способностью запасать энергию на время пребывания в тени, создаваемой Землей. Необходимо стремиться к снижению веса батарей, поскольку масса спутника напрямую влияет на стоимость его запуска и эксплуатации».
Для понимания достижений ученых можно провести аналогию: графитовый анод в литий-ионной батарее напоминает колоду карт, где каждый слой графита предназначен для накопления заряда. Основная сложность заключается в ограниченной емкости графита, который не способен удерживать значительный заряд. Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили использовать для анода другой материал — кремний.
Кремний характеризуется повышенной электроемкостью, но при процессах заряда и разряда подвергается разрушению на более мелкие фрагменты. Для решения этой проблемы исследователи применили кремниевые наночастицы, которые увеличивают устойчивость устройства и продлевают срок его эксплуатации.
В новой технологии графитовые «колоды карт» заменены углеродными нанотрубками, между которыми размещены кремниевые прослойки. По словам соавтора исследования, Шайлендры Чилувала, эти нанотрубки формируют структуру, близкую к трехмерной, и обеспечивают удержание кремниевых наночастиц даже после 500 циклов, а также уменьшают электрическое сопротивление, которое возникает из-за разрушения наночастиц.
Применение кремниевых и других наноразмерных материалов в качестве активных компонентов аккумуляторов позволяет не только повысить их ёмкость, но и обеспечивает возможность зарядки более интенсивным током, что сокращает время, необходимое для полного заряда. Благодаря инновационной структуре, зарядка батарей осуществляется в четыре раза быстрее по сравнению с существующими решениями.
Разработка новой технологии была осуществлена при финансовой поддержке NASA и ориентирована прежде всего на космические исследования, в частности, на изучение Марса. Улучшенные источники питания применимы для использования в спутниковых системах, марсоходах и скафандрах. В перспективе данную технологию можно будет использовать и на Земле, например, в электромобилях.
Ранее мы уже освещали тему создания долговечных батарей с использованием ядерных отходов, которые анонсировала американская компания NDB, а также о новом гибридном устройстве, которое способно не только улавливать, но и хранить солнечную энергию.