- Наночастки збільшують поверхню електродів
- Нановиключатель для батарейки
- Конденсатори з обкладинками з нанотрубок
На відміну від транзисторів мініатюризація батарейок відбувається дуже повільно. Розмір гальванічних елементів живлення, приведений до одиниці потужності, зменшився за останні 50 років лише в 15 разів, а розмір транзистора за цей же час зменшився більш ніж 1000 разів і становить зараз близько 100 нм. Відомо, що розмір автономної електронної схеми часто визначається не її електронною начинкою, а розміром джерела струму. При цьому, чим розумніший електроніка приладу, тим більшу батарейку вона вимагає. Тому для подальшої мініатюризації електронних приладів необхідно розробляти, нові типи батарейок. І тут знову допомагають нанотехнології
Наночастки збільшують поверхню електродів
Чим більше площа електродів батарейок і акумуляторів, тим більший струм вони можуть давати. Щоб збільшити площу електродів, їх поверхню покривають проводять наночастинками, нанотрубками і т.п.
Компанія Toshiba в 2005 році створила прототип літій-іонної акумуляторної батареї, анод якої був покритий нанокристалами титаната літію, в результаті чого площа електрода виросла в кілька десятків разів. Новий акумулятор здатний набирати 80% своєї ємності всього за одну хвилину зарядки, в той час як звичайні літій-іонні акумулятори заряджаються зі швидкістю 2-3% в хвилину, і для повної зарядки їм потрібно цілу годину.
Крім високої швидкості перезарядки акумулятори, що містять електроди з наночастинок, мають збільшений термін служби: після 1000 циклів заряду / розряду відбувається втрата лише 1% її ємності, а загальний ресурс нових батарей становить понад 5 тисяч циклів. А ще, ці акумулятори можуть працювати при температурах до -40оC, втрачаючи при цьому лише 20% заряду проти 100% у типових сучасних акумуляторних батарей вже при -25оC.
З 2007 року з'явилися в продажу акумулятори з електродами з провідних наночастинок, які можуть бути встановлені на електромобілі. Ці літій-іонні акумулятори здатні запасати енергію до 35 кВт.год, заряджаючись до максимальної місткості всього за 10 хвилин. Зараз дальність пробігу електромобіля з такими акумуляторами - 200 км, але вже розроблена наступна модель цих акумуляторів, що дозволяє збільшити пробіг електромобіля до 400 км, що практично можна порівняти з максимальним пробігом бензинових машин (від заправки до заправки).
Нановиключатель для батарейки
Один з основних недоліків сучасних батарей - вони за кілька років повністю втрачають свою потужність навіть, якщо не працюють, а лежать на складі (15% енергії губляться щороку). Причиною падіння з часом енергії у батарейок є те, що навіть у непрацюючих батарейок електроди і електроліт завжди стикаються між собою, і тому поступово змінюються іонний склад електроліту і поверхню електродів, що і викликає падіння потужності батарейок.
Щоб уникнути контакту електроліту з електродами при зберіганні батарейки, їх поверхню можна захистити нановолоскамі, несмачіваемих водою (див. Малюнок 55), імітуючи «ефект лотоса», про який йшлося вище.
Малюнок 55. Схематичне зображення «нанотрави» з наностержней 300 нм діаметра, що росте на одному з електродів батарейки. Через гідрофобних властивостей матеріалу нановолосков розчин блакитного електроліту не може наблизитися до поверхні «червоної» електрода, і батарейка не втрачає своєї потужності протягом багатьох років. Взято з Scientific American, 2006, Feb, p. 73.
Відомо, що адгезію (прилипання) можна керувати за допомогою зовнішнього електричного поля. Кожен бачив, як до наелектризованої пластмасовою гребінці, прилипають дрібні шматочки паперу, крихти, пил і т.п. Змочуваність визначається адгезію, і тому електричне поле, прикладена між рідиною і поверхнею твердого тіла, завжди збільшує змочуваність останнього.
Гідрофобне покриття нановолосков захищає поверхню одного з електродів батарейки від контакту з електролітом (рис. 55). Однак, якщо ми хочемо користуватися батарейкою, то, досить подати невелика напруга на нановолоскі, і вони стають гідрофільними, в результаті чого електроліт заповнює весь простір між електродами, роблячи батарейку працездатною.
Вважають, що описана вище нанотехнологія включення і виключення буде затребувана для батарейок в різноманітних в датчиках, наприклад, що скидаються з літака в важкодоступних областях, використовувати які планується лише через кілька років або в будь-яких спеціальних випадках за сигналом.
Конденсатори з обкладинками з нанотрубок
Дослідники вважають, що електричний конденсатор, винайдений близько 300 років тому міг би стати відмінною батарейкою, якщо вдосконалити його за допомогою нанотехнологій. На відміну від гальванічних джерел струму конденсатор може необмежено довго служити акумулятором електричної енергії. При цьому зарядити конденсатор можна набагато швидше, ніж будь-який акумулятор.
Єдиний недолік електричного конденсатора, в порівнянні з гальванічними джерела струму, - його мала питома енергоємність (відношення запасеної енергії до об'єму). В даний час питома енергоємність конденсаторів приблизно в 25 разів менше, ніж у батарейок і акумуляторів.
Відомо, що ємність і енергоємність конденсатора прямо пропорційні площі поверхні його обкладок. За допомогою нанотехнологій для збільшення площі обкладок конденсатора можна на їх поверхні виростити ліс з провідних нанотрубок (рис. 56). В результаті, енергоємність такого конденсатора може збільшитися в тисячі разів. Вважають, що такі конденсатори стануть поширеними джерелами струму в самому найближчому майбутньому.
Малюнок 56. Поверхня однієї з обкладок конденсатора, що представляє собою ліс і вертикально орієнтованих вуглецевих нанотрубок.
Повернутися до ЗМІСТУ читати далі