Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) достигли прорыва в усовершенствовании железо-никелевого аккумулятора, впервые разработанного Томасом Эдисоном ещё в начале XX века. Используя современные нанотехнологии, им удалось создать прототип, который заряжается за считанные секунды и выдерживает более 12 000 циклов зарядки и разрядки.
Об этом сообщает ProIT
Инновационный подход к классической технологии
Оригинальная конструкция аккумулятора Эдисона была значительно громоздче современного варианта. Она состояла из железных и никелевых сеток, погружённых в раствор гидроксида калия, и имела существенный недостаток — выделение водорода во время зарядки, что представляло опасность. Новый подход учёных UCLA заключается в использовании нанокластеров никеля и железа, которые упакованы в молекулярные побочные продукты от производства говядины. Исследователи вдохновлялись природными процессами формирования костей и раковин, где белки координируют расположение минералов, создавая прочные и гибкие структуры.
“Правильное распределение минералов формирует прочные, но при этом достаточно гибкие кости. Способ укладки почти так же важен, как и материал, который используется, и белки определяют, как именно они располагаются”, — объясняет соавтор исследования и биохимик Рик Канер.
В новом аккумуляторе белки с множественными углублениями и выступами служат матрицей для нанокластеров никеля и железа, размер которых не превышает 5 нанометров. Эти кластеры выполняют функцию электродов, а их поверхность дополнительно покрыта двумерным графеном — ультратонким слоем из атомов углерода и кислорода, что значительно увеличивает площадь поверхности электрода.
Преимущества и перспективы нового аккумулятора
Технологический процесс предполагает удаление кислорода из смеси путём нагревания в воде и превращения белков в углерод во время обжига, что позволяет сформировать структуру, подобную аэро-гелю. Это обеспечивает максимальный контакт атомов металла с электролитом, что существенно ускоряет зарядку и разрядку батареи. Биохимик Махер Эль-Кади подчеркивает, что благодаря такой структуре почти каждый атом участвует в химических реакциях, что повышает эффективность аккумулятора.
Особенностью этой разработки является простота производства: использованы доступные ингредиенты, щадящие методы нагревания и широко применяемые сырьевые материалы. По первым тестам прототип показал способность заряжаться за секунды и выдерживать более 12 000 циклов, что эквивалентно более 30 годам ежедневного использования. Несмотря на это, ёмкость такого аккумулятора пока что уступает современным литий-ионным аналогам, поэтому перспективным направлением остаётся применение в хранении избыточной энергии солнечных электростанций или для резервного питания дата-центров.
В настоящее время исследователи работают над внедрением других металлов в эту нанотехнологию, а также испытывают природные полимеры как альтернативу бычьим белкам для упрощения массового производства.