Гонконгские ученые предложили новый тип аккумулятора
 Схематическое изображение предложенной конструкции "бесконечного" аккумулятора на основе графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В водных растворах ионы движутся со скоростью в сотни метров в секунду при комнатной температуре. Тепловая энергия этих ионов может достигать нескольких килоджоулей на килограмм на градус по шкале Кельвина. Несмотря на это, до сих пор существует достаточно мало научных групп, которые в своих работах попробовали использовать эту энергию во благо с целью преобразования ее в электроэнергию. Именно в этом направлении начала свою работу группа из Hong Kong Polytechnic University (Гонконг). Результаты их экспериментов были опубликованы в журнале arXiv.
В рамках своей работы группа создала новый тип аккумулятора, просто прикрепив серебряные и золотые электроды к полоске из графена. В отчете ученые продемонстрировали, как шесть подобных устройств помещались в раствор, содержащий ионы хлорида меди, производя при этом напряжение более 2 В. Произведенной таким образом энергии было достаточно, чтобы заставить гореть коммерческий красный светодиод, доступный в любом магазине электроники.
Предложенная схема в корне отличается от обычных литий-ионных аккумуляторов, преобразующих химическую энергию в электричество. Функционирование предложенного аккумулятора непрерывно; устройство работает исключительно за счет получения тепловой энергии окружающих ионов хлорида меди. В свою очередь, ионы пополняют энергию из окружающего сосуд с раствором пространства, т.е. ее запас можно считать бесконечным. По мнению разработчиков, отдача тепла может продолжаться вечно, пока устройство не будет уничтожено. До сих пор не существовало никаких аналогов подобной идеи.
По словам исследователей, принцип работы аккумулятора во многом похож на солнечную ячейку. Ионы меди постоянно сталкиваются с полоской графена, находящейся внутри батареи. Энергии этого столкновения достаточно для вытеснения электронов из графена, которые могут либо соединиться с ионом меди, либо пройти через полоску углеродного материала в электрическую цепь. Поскольку электроны движутся через чистый графен на очень больших скоростях (представляя собой практически релятивистские частицы, не имеющие массы покоя), через углеродный материал они проходят намного быстрее, чем через раствор, содержащий ионы. Таким образом, рекомбинация сформированных свободных электронов не значительна, и их большая часть уходит в электрическую цепь.
В рамках своих экспериментов ученые обнаружили, что напряжение, выдаваемое устройством на выходе, может быть увеличено простым нагреванием системы или ускорением ионов при помощи ультразвука. Оба эти метода работают, поскольку они увеличивают кинетическую энергию ионов. Анализ показал, что в эксперименте могут быть использованы и другие растворы, хотя они дают не такое высокое выходное напряжение.
По словам разработчиков, решающее значение для работы аккумулятора имеет уникальный атомарный слой графена. В рамках своих исследований они экспериментировали с графитом, углеродными нанотрубками и тонкими пленками, но не смогли получить сходных результатов. Эти материалы производят существенно более низкое напряжение (порядка нескольких микровольт), которое может рассматриваться, как шум.
По мнению коллег ученых из США, предложенная концепция выглядит весьма привлекательно, однако перед тем, как первый подобный аккумулятор поступит в производство, предстоит проделать большую работу, чтобы хотя бы оценить, может ли подход дать достаточное количество энергии и плотность мощности (мощность на килограмм веса аккумулятора) для практических применений. Со своей стороны, ученые из Гонконга планируют продолжить работу над конструкцией в попытках повысить выходное напряжение.
Также по теме:
Источники: