Ученые исследовали, как ведет себя нанобатарея на практике
 Изображение нанобатареи, полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения, до и после зарядки. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Спустя всего шесть лет после того, как Ричард Фейнман прочел свою знаменитую лекцию о нанотехнологиях, киностудия Twentieth Century Fox под впечатлением от открывающихся перед наукой возможностей выпустила фильм под названием «Фантастический вояж» (Fantastic Voyage). Фильм рассказывал о том, как миниатюрный космический корабль размерами не более 1 мкм путешествовал по организму человека с целью излечения, постоянно спасаясь от иммунной системы. Но если мечтать о воплощении этой научной фантастики в жизнь, первая существенная проблема, которую придется решить, - это создание источника мощности для столь миниатюрных устройств.
Традиционные литий-ионные аккумуляторы состоят из двух электродов (отрицательного анода и положительного катода), разделенных электролитом, т.е. материалом, через который свободные ионы могут перемещаться достаточно легко. Во время разрядки аккумулятора, положительно заряженные ионы перемещаются через объем электролита к катоду, обеспечивая электрический ток. При перезарядке внешнее напряжение перемещает ионы к аноду, что позволяет «запасать» энергию.
Окись олова обладает идеальными свойствами для того чтобы создавать анод в литий-ионных аккумуляторах. Однако после зарядки, этот материал становится хрупким и ломается, что в конечном итоге выражается в уменьшении проводимости и отказе батареи. Эта проблема особенно серьезна в наномасштабах.
Не отказываясь окончательно от использования окиси олова в нанобатареях, группа ученых из Sandia National Laboratories и Pacific Northwestern Laboratory (США) провела более подробные исследования изменений, происходящих в материале. Ученые создали рабочий экземпляр нанобатареи, одним из электродов в котором служит единственный нанопровод из диоксида олова. Кроме того, созданная батарея содержит специально разработанный жидкий электролит, который не испаряется даже в условиях вакуума просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (последний был необходим для наблюдения за процессом). Катод был выполнен из сплава лития и оксида кобальта.
Исследования показали, что нанопровод из диоксида олова в процессе заряда такой батареи расширялся, удлинялся и искривлялся. Подобное изменение объема наблюдается и в макро-аккумуляторах; его называют литированием. Само явление не стало сюрпризом для ученых; удивительно было то, что изменение объема было почти двукратным. Ученые ожидали изменения формы за счет утолщения нанопровода, на практике же наибольший эффект наблюдался в увеличении его длины. Кроме того, в процессе удлинения, по данным просвечивающей электронной микроскопии, нанопровод вращался. В рамках своей работы ученые предоставили видеозапись наблюдавшегося процесса.
Безусловно, пока экспериментальных данных не достаточно, и исследования в этом направлении продолжатся. Ведь понимание того, как форма электрода адаптируется в процессе литирования, помогла бы спроектировать новые типы нанобатарей.
Также по теме:
Источники: