Науковці з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) досягли прориву у вдосконаленні залізо-нікелевого акумулятора, вперше розробленого Томасом Едісоном ще на початку XX століття. Використовуючи сучасні нанотехнології, їм вдалося створити прототип, який заряджається за лічені секунди і витримує понад 12 000 циклів заряджання та розряджання.
Про це розповідає ProIT
Інноваційний підхід до класичної технології
Оригінальна конструкція акумулятора Едісона була значно громіздкішою за сучасний варіант. Вона складалася з залізних і нікелевих сіток, занурених у розчин гідроксиду калію, і мала суттєвий недолік — виділення водню під час заряджання, що становило небезпеку. Новий підхід науковців UCLA полягає у використанні нанокластерів нікелю та заліза, які упаковані в молекулярні побічні продукти від виробництва яловичини. Дослідники надихалися природними процесами формування кісток і мушель, де білки координують розташування мінералів, створюючи міцні й гнучкі структури.
“Правильний розподіл мінералів формує міцні, але при цьому досить гнучкі кістки. Спосіб укладання майже так само важливий, як і матеріал, що використовується, і білки визначають, як саме вони розташовуються”, — пояснює співавтор дослідження та біохімік Рік Канер.
У новому акумуляторі білки з множинними заглибленнями і виступами слугують матрицею для нанокластерів нікелю та заліза, розмір яких не перевищує 5 нанометрів. Ці кластери виконують функцію електродів, а їхня поверхня додатково покрита двовимірним графеном — ультратонким шаром з атомів вуглецю та кисню, що значно збільшує площу поверхні електрода.
Переваги та перспективи нового акумулятора
Технологічний процес передбачає видалення кисню з суміші шляхом нагрівання у воді та перетворення білків на вуглець під час випалювання, що дозволяє утворити структуру, подібну до аерогелю. Це забезпечує максимальний контакт атомів металу з електролітом, що суттєво прискорює заряджання та розряджання батареї. Біохімік Махер Ель-Каді наголошує, що завдяки такій структурі майже кожен атом залучений у хімічних реакціях, що підвищує ефективність акумулятора.
Особливістю цієї розробки є простота виробництва: використані доступні інгредієнти, щадні методи нагрівання і широко вживані сировинні матеріали. За перших тестів прототип показав здатність заряджатися за секунди та витримувати понад 12 000 циклів, що еквівалентно понад 30 рокам щоденного використання. Попри це, місткість такого акумулятора поки що поступається сучасним літій-іонним аналогам, тому перспективним напрямом залишається застосування у зберіганні надлишкової енергії сонячних електростанцій або для резервного живлення дата-центрів.
Нині дослідники працюють над впровадженням інших металів у цю нанотехнологію, а також випробовують природні полімери як альтернативу бичачим білкам задля спрощення масового виробництва.