Ученые создали мета-батарейку из массива нанопор

Группа специалистов из Мэрилендского университета в Колледж-Парке создала массив из нанопор, каждая из которых представляет собой полноценную отдельную нанобатарейку. Работа опубликована в Nature Nanotechnology.

Хорошо сконструированные нанобатареи потенциально способны полностью использовать теоретическую электроемкость разнообразных материалов, демонстрировать высокую энергетическую плотность и гораздо более длительную продолжительность работы, чем у всех ныне существующих технологий химических источников тока. Чтобы достичь таких показателей, ученые организуют наноструктуры (например, нанотрубки) в гигантские (по наномеркам) трехмерные массивы – «нанотрубковые леса». В представленной работе исследователи скомпоновали в единый массив несколько миллиардов нанопор, каждая из которых, по сути, была отдельной нанобатарейкой, соединенной параллельно с остальными.

Массив нанопор был создан посредством метода атомно-слоевого осаждения. С его помощью производятся тончайшие пленки из оксидов, нитридов и сульфидов различных металлов. Каждая нанопора формировалась из анодированного оксида алюминия. Внутри нее находились анод, катод и жидкий электролит. Снаружи наноэлектрод покрывала внешняя нанотрубка из рутения, выполняющая функции токоприемника. Внутри нее находилась вторая нанотрубка из пентоксида ванадия (V₂O₅), наполненная электролитом. Ее нижняя часть служила анодом, а верхняя катодом. Вместе они создавали асимметрично функционирующую батарею с разностью потенциалов на концах проводника в 0.2 В и 1.8 В.

Полученная батарея продемонстрировала прекрасные характеристики работы. Она сохраняла высокую зарядную емкость: 95 процентов при 5 кулон или 46 процентов при 150 кулон с временем цикла зарядки–разрядки в 24 секунды. После тысячи циклов батарея теряла лишь несколько процентов своей начальной энергоемкости.

По мнению авторов работы, такие показатели связаны с хорошо продуманным дизайном и технологическим процессом создания массива нанотрубковых электродов, обеспечивающих быстрое и эффективное перемещение ионов и электронов.