У Національній лабораторії «Сандиа» (США) створена тестова версія самої маленької батареї в світі: її анод складається з одного нанопроводи, який в сім тисяч разів тонші людської волосини.

Щоб кращого вивчення характеристик такого анода перезаряджається літієвий акумулятор був зібраний усередині просвічує електронного мікроскопа (ПЕМ) в Центрі комплексних нанотехнологій Міністерства енергетики, яким «Сандиа» управляє спільно з Лос-Аламоської національної лабораторією.

За словами керівника групи розробників Цзяньюя Хуана, експеримент затіяний ради дослідження процесів зарядки та розрядки акумулятора в режимі реального часу і в атомному масштабі з метою розуміння фундаментальних принципів роботи батарей. Останнє має велике практичне значення, бо іонно-літієві батареї на основі нанопровідника пропонують нові можливості для підвищення пружності та щільності енергії в порівнянні з більш об'ємними електродами. Відповідно, більш суворе вивчення їх операційних властивостей має призвести до появи нових поколінь електромобілів, ноутбуків, мобільних телефонів тощо.

Наноматеріали вже активно використовуються в якості анодів, але в масиві, а не індивідуально. На думку пана Хуана, це все одно що, дивлячись на ліс, намагатися зрозуміти особливості окремих дерев.

Вже згадуваний анод виготовлений з оксиду олова. Його діаметр складає 100 нм, а довжина – 10 мкм. Катод в 3 мм довжиною з оксиду кобальту виглядає на його фоні чудовиськом з іншого світу. Звичайно, не обійшлося без електроліту у вигляді іонної рідини. Пристрій дозволяє безпосередньо спостерігати зміни атомної структури під час зарядки і розрядки окремого «дерева».

Несподівано з'ясувалося, що нановолокно з оксиду олова майже подвоюється в довжину під час зарядки – набагато більше, ніж у діаметрі (див. відео нижче). Цей факт допоможе уникнути короткого замикання і продовжити термін служби батареї. Раніше повсюдно вважалося, що коливання відчуває в першу чергу діаметр.

Виявити цей ефект дозволило спостереження за тим, як іони літію рухаються уздовж нанопроводи і створюють те, що вчені охрестили «фронтом медузи», – область, де висока щільність рухливих дислокацій змушує нанодротиків згинатися і погойдуватися у міру проходження фронту. Мережа дислокацій викликається проникненням літію в кристалічну решітку. «Ці спостереження доводять, що нанопроводи можуть витримати великий тиск (> 10 ГПа), що викликається літірованіем, без переривання струму. Іншими словами, нанодротів є дуже гарним кандидатом на роль електрода », – підкреслює пан Хуан.

Викликаного літірованіем збільшення обсягу, а також деформаціяі подрібнення електродних матеріалів входять до числа основних механічних дефектів, які знижують продуктивність і термін служби анодів з великою ємністю.

Рівень електронного шуму від системи вимірювань виявився дуже високий, щоб можна було прорахувати електричний струм, але співавтор дослідження Джон Салліван оцінює його силу в пікоампер. Потенціал нанопровідника при цьому становив близько 3,5 в.

Поспостерігати за зарядкою і розрядкою одного нановолокна в атомному масштабі до цих пір нікому не вдавалося, тому що високий вакуум в ПЕМ ускладнює використання рідкого електроліту. Одним з досягнень групи пана Хуана стала демонстрація того, що іонна рідина з низьким тиском пари (по суті, розплавлена сіль) може функціонувати у вакуумі.

Робота була проведена з використанням нанопровідника з оксиду олова, але пан Хуан відзначає, що експеримент може бути поширений на системи з іншими матеріалами.

За матеріалами: NewsWise

Tweet