Корейские и американские инженеры научились создавать цинк-ионные аккумуляторы произвольной формы, которые могут без вреда для них контактировать с воздухом или влагой. Для демонстрации возможностей метода авторы создали несколько носимых устройств, в том числе кольцо с датчиком темноты. Статья с описанием разработки опубликована в ACS Nano.
На сегодняшний день в большинстве устройств используются литий-ионные аккумуляторы. Их главное преимущество заключается в высокой плотности энергии. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы обладают и множеством недостатков. В них используется литий, запасы которого ограничены, поэтому сырье для их создания стоит достаточно дорого. Кроме того, в них зачастую используется огнеопасный органический электролит, а из-за образования на электродах литиевых дендритов такие аккумуляторы нередко самопроизвольно загораются из-за короткого замыкания. Из-за этого ученые исследуют другие материалы для создания аккумуляторов, в том числе цинк, аккумуляторы из которого более безопасны и устойчивы к воздействию окружающей среды.
Инженеры под руководством Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) из Гарвардского университета разработали новый метод создания цинк-ионных аккумуляторов, позволяющих задавать им сложную форму, удобную для использования в носимых устройствах. Сначала создается несплетенный массив волокон полиакрилонитрила диаметром около 1-1,5 микрометра. После этого массив подвергают карбонизации путем двухчасового нагревания до 900 градусов Цельсия в атмосфере аргона. В результате полимерные волокна превращаются в углеродные и уменьшаются в диаметре до 370 нанометров. В таком виде волокна служат в качестве хорошего гибкого токоприемника. После карбонизации их покрывают полианилином, который часто используется в цинк-ионных аккумуляторов в качестве катода.
Для сборки полноценного аккумулятора инженеры брали вырезанные в нужную форму катод, анод из цинковой пластины, сепаратор из стекловолокна, а также клеммы, выполненные из полиимида, покрытого углеродом. Кроме того, инженеры добавили в аккумулятор электролит, состоящий из одномолярного раствора хлорида цинка. Снаружи аккумулятор защищает пластиковый корпус.
Инженеры создали множество прототипов аккумуляторов и проверили их характеристики. При различных темпах разрядки аккумулятор был способен выдавать напряжение от 0,7 до 1,7 вольта, а его удельная емкость составляла 165 миллиампер-часов на грамм. Тесты на ресурс аккумулятора показали, что после ста циклов зарядки-разрядки его емкость снижается лишь на 15 процентов.
Для демонстрации преимущества метода инженеры создали прототип кольца, внутри которого расположен аккумулятор, а сверху - датчик темноты. Он состоит из простой платы с фотодетектором и светодиодом. При падении освещения до определенного уровня плата включает светодиод, питаемый от аккумулятора.
Недавно американские инженеры научились печатать на 3D-принтере литий-ионные аккумуляторы и так же создали из них носимые устройства. Например, они напечатали браслет со светодиодом и солнечные очки с регулируемым уровнем затемнения.
Григорий Копиев
Как люди пытаются освоить термоядерный синтез и почему проект ИТЭР играет в этом ключевую роль
В 60-е годы ХХ века потребности человечества в энергии выросли. Чтобы удовлетворить их, ученые обратились к идее освоения термоядерной энергии. Она получается в результате слияния легких атомов в более тяжелые. Энергия звезд. N + 1 вместе с ГК «Росатом» разобрались, куда сегодня зашли эти идеи и где в них место проекту ИТЭР.