Учёные из Калифорнийского университета переосмыслили забытый проект батареи Томаса Эдисона.
Одно из "неудачных" изобретений Томаса Эдисона может оказаться лучшим вариантом для современной сети чистой энергии, чем тот двигатель для электромобилей, который он в конечном итоге предложил, пишет Ecoticias.
Как предполагает новое исследование ученых из Калифорнийского университета, идея Эдисона создать никель-железные аккумуляторы может получить новое воплощение с помощью нанотехнологий 21-го века.
Ученые создали прототип никель-железного аккумулятора, который заряжается за считанные секунды и может работать более двенадцати тысяч циклов полной зарядки и разрядки. Такая производительность эквивалентна более тридцати годам ежедневного использования. И с таким сроком службы типичные литий-ионные аккумуляторы, используемые в автомобилях, пока не могут сравниться.
В начале 20-го века водители видели на дорогах больше электрических и гибридных автомобилей, чем бензиновых моделей. Некоторые из них питались от свинцово-кислотных аккумуляторов Эдисона, но они были тяжелыми, дорогими и обычно разряжались примерно через 40 км.
Он считал, что никель-железная химия может увеличить запас хода до 100 км и заряжаться в течение ночи, что было впечатляющим для той эпохи. Реальность стала на пути. Первые никель-железные аккумуляторы были громоздкими и медленно заряжались, а во время использования они выделяли водород, что создавало проблемы с безопасностью. Поскольку бензиновые двигатели стали дешевле и удобнее, некогда перспективный электрический вариант занял нишевую позицию, которая сохранилась преимущественно в нескольких промышленных системах и автономных установках.
Современный прототип сохраняет выбор металлов Эдисона, но почти полностью меняет их расположение. Исследователи использовали белки, получаемые из побочных продуктов мясной промышленности, в качестве крошечных каркасов. Внутри складок этих белков атомы никеля и железа собираются в кластеры размером менее пяти нанометров. Чтобы покрыть их площадью с человеческий волос, понадобится десять тысяч или более таких кластеров.
Эти белковые шаблоны были объединены с оксидом графена, материалом, изготовленным из сверхтонких слоев углерода, украшенных атомами кислорода. Затем смесь нагревали в воде и выпекали при высокой температуре.
На этом этапе белки превратились в углерод, кислород был удален, а металлические кластеры замкнулись в пористую углеродную сеть. Конечным результатом является структура аэрогеля, которая примерно на 99% состоит из воздуха по объему, с огромной внутренней поверхностью, где могут происходить реакции в батареях.
На практике большая площадь поверхности означает более быструю зарядку и разрядку. Когда почти каждый атом активного материала может участвовать в реакции, аккумулятор может быстро принимать энергию и так же быстро ее высвобождать, не изнашиваясь за несколько лет.
Несмотря на свою скорость и долговечность, эта никель-железная конструкция не хранит столько энергии на килограмм, сколько современные литий-ионные элементы. Это делает ее плохим кандидатом для электромобилей с большим запасом хода. Вместо этого исследователи видят более явный потенциал в стационарном хранении энергии, где размер и вес являются меньшей проблемой, чем надежность и стоимость на протяжении десятилетий.
Одним из очевидных применений были бы солнечные электростанции. В солнечные часы панели часто генерируют больше электроэнергии, чем может поглотить сеть.
Банк долговечных никель-железных аккумуляторов мог бы поглощать этот избыток и возвращать его в сеть после захода солнца, когда люди возвращаются домой, включают кондиционер и готовят ужин. Центры обработки данных, которым требуется мгновенное резервное копирование в случае сбоя основного источника питания, являются еще одним вероятным кандидатом.
Масштабирование любого лабораторного прототипа до уровня городского накопителя энергии редко бывает простым, и инженерам нужно будет доказать, что этапы производства действительно остаются такими же низкозатратными и простыми, как утверждает команда.
Напомним, что лифты заставляют человека ощущать изменения в силе тяжести. Во время резкого подъема человек как будто становится тяжелее, а во время спуска чувствует себя легче. Как объяснил физик, такие ощущения вызывает изменение ускорения платформы лифта, а гравитация и масса самого человека остаются неизменными.