Исследователям из университета Вандербильта удалось получить новые сведения о процессах, протекающих в литиево-ионных батареях на наноуровне. Возможно, сделанное открытие будет способствовать ускорению разработки аккумуляторов, заряжаемых за несколько секунд.

Группа ученых занималась исследованием батарей, содержащих квантовые точки из железного колчедана.

Квантовые точки – это частицы, состоящие всего из нескольких десятков атомов. Ученым уже известно, что применение их в батареях позволяет осуществлять очень быструю зарядку аккумуляторов. Но при этом срок службы батареи оказывается очень коротким.

«Маленькие частицы вступают в химическую реакцию с электролитом, в результате чего батарею удается зарядить и разрядить всего несколько раз, после чего она выходит из строя», – пояснил старший преподаватель кафедры машиностроения университета Вандербильта Кэри Пинт.

Изучая влияние квантовых точек из железного колчедана, исследователи обнаружили, однако, что процессы создания запасов энергии в батарее протекают совершенно по-другому, и ожидаемой химической реакции не происходит. Соответствующие работы выполнялись Анной Дуглас.

В обычной литиево-ионной батарее ионы лития проникают в материал хранения в процессе заряда аккумулятора и покидают его во время разряда. В прототипе же новой батареи, они вступают в реакцию с молекулами железного колчедана, состоящими из одного атома железа и двух атомов серы. В результате образуется соединение лития с серой, а атом железа освобождается. При разряде выполняется обратная реакция с повторным образованием железного колчедана.

«Это происходит снова и снова, – подчеркнул Пинт. – В нашем случае мы получаем увеличение емкости и запасов энергии. Предложенное решение оказывается намного эффективнее, но частицы необходимо подбирать такого размера, чтобы железо могло выходить из материала».

Добиться этого можно с помощью квантовых точек. Соответствующие частицы столь малы – размеры их составляют около 4,5 нм – что в каждой из экспериментальных батарей содержится около 50 млн квантовых точек.

«Выяснилось, что при использовании таких наночастиц батарея уже не выходит из строя, – указал Пинт. – Интеграция крохотных наночастиц формирует зону наилучшего восприятия, благодаря чему батарея заряжается очень быстро».

Конечно, новый тип батареи нельзя создать за одну ночь, однако исследователям удалось продемонстрировать суть функционирования аккумулятора на наноуровне.

«Полученные результаты позволяют нам сформулировать набор правил проектирования для семейства материалов, подвергавшихся соответствующим изменениям, – заявил Пинт. – Мы можем применять указанные правила к целому классу материалов и создавать системы наноструктур, построенные на их основе. А ведь до сих пор у нас не было понимания даже базовых правил».

Батарея, емкость которой в пять раз превышает емкость существующих литиево-ионных источников энергии, может оказаться в распоряжении пользователей уже в следующем году.

Стартап Prieto Battery разработал трехмерную твердотельную структуру батареи на основе новых материалов, которые способны удерживать больше ионов лития по сравнению с существующими. По словам основательницы Prieto Battery Эми Прито, новая батарея менее огнеопасна, быстрее заряжается и имеет все шансы найти применение как в носимых устройствах и ПК, так и в более крупных продуктах, например, в солнечных панелях.

Исследования в области аккумуляторных батарей велись на протяжении многих лет, и вот теперь Prieto Battery получила от Intel Capital финансирование, которое должно помочь в перевести новые технологии на коммерческую основу. Конкретные суммы не раскрываются. Ожидается, что готовые батареи для носимых и компьютерных устройств появятся к 2017 году.

В настоящее время стартап ведет с партнерами (их имена не называются) переговоры о начале выпуска батарей уже в следующем году. Долгосрочные планы Эми Прито предусматривают налаживание производства дешевых и устойчивых батарей для солнечных и ветряных электростанций.

Батарея Prieto создавалась путем изменения конструкции обычных литиево-ионных батарей, построенных на основе двумерной структуры. Структуру батареи Prieto можно создавать с помощью уже существующих производственных процессов, и компания намерена продавать производителям батарей лицензию на право использования своей технологии.

Существующие батареи имеют электроды – катод и анод – между которыми находится жидкий электролит, и заряженные ионы лития движутся от одного электрода к другому. В процессе заряда ионы перемещаются от катода к аноду, создавая запас емкости. Во время разряда ионы лития движутся в обратном направлении, от анода к катоду, питая электроэнергией устройство, использующее батарею.

«Зарядка существующих батарей может длиться довольно долго», – указала Прито. В батареях Prieto жидкого электролита нет, а катоды и аноды переплетены друг с другом, что позволяет увеличить плотность ионов лития и ускорить зарядку батареи. Изготовленные из меди аноды обладают более высокой плотностью по сравнению с графитовыми анодами, применяемыми в литиево-ионных батареях.

Исследования в области создания батарей, позволяющих увеличить время работы потребителей электроэнергии, продолжаются уже несколько десятилетий. Но несмотря на более высокую емкость, присущую батареям из серебра и цинка, крупные поставщики (в частности, Sony и Panasonic) по-прежнему отдают предпочтение литиево-ионным батареям, которые дешевле в производстве.

Прито убеждена в том, что у батарей, созданных на основе химических технологий, неплохие шансы на успех, потому что их выпуск можно интегрировать в уже существующее производство, а самих их можно реализовать в принятых в настоящее время форм-факторах.

Конечно, поддержка Intel – это большой шаг вперед на пути к коммерциализации аккумуляторных технологий. Производитель процессоров обладает необходимым производственным опытом и может предоставить своим партнерам доступ к компьютерным и мобильным устройствам для тестирования батарей.

Группа исследователей из Microsoft, Tesla и ряда университетов предлагает объединять батареи нескольких типов в комплекс, работающий под контролем операционной системы.

Проведенные разработчиками испытания показали, что при использовании комбинации батарей разных видов можно увеличить время работы носимого устройства примерно на час. А если снабдить такой батареей ультрабук, увеличение достигает 22%.

Речь не идет о фундаментальном усовершенствовании технологии аккумуляторов; улучшения, обеспечиваемые с помощью «программно-конфигурируемых батарей» (Software Defined Battery, SDB), как их называют исследователи, сильно зависят от сценария применения и типов самих батарей.

Идея SDB описана авторами в докладе, подготовленном для симпозиума ACM.

Батареи ноутбуков, смартфонов, планшетов и т. п. это как «топливный бак» для хранения электричества, которое постепенно расходуется, питая устройство. Но как напоминают докладчики, батареи бывают разных типов — с разным составом электролита и различными характеристиками зарядки и разрядки. И идеальных батарей нет: аккумулятор большой емкости может заряжаться часами, а у быстрозаряжаемого емкость может быть недостаточной. Но если для разных видов потребительской техники разрабатывают специализированные комплекты датчиков и контроллеры, то почему бы не пользоваться и спецбатареями?

Умные батареи специального назначения

Это и предлагают изобретатели SDB. «Приведем в пример комплект ограниченного объема, половину которого занимает быстрозаряжаемая батарея, а другую — батарея высокой плотности, — говорится в докладе. — Это позволило бы достичь следующего компромисса: возможность очень быстро получить около 50% заряда, потеряв при этом лишь небольшую часть запаса энергии».

В докладе отмечается, что нужен будет какой-то способ «общения» питаемой системы с батареей. Сегодня обычно эта связь ограниченная: специальный контроллер подзаряжает батарею согласно заложенной в него программе, а система периодически просто запрашивает сведения о состоянии батареи. В докладе предлагается, чтобы Windows или иная ОС взаимодействовала с зарядником и управляла им, оптимизируя общее время работы системы от батареи.

Но это будет непросто. В пример в докладе приводят сценарий, когда выясняется, что в ближайшее время вам предстоит пятичасовой авиаперелет. Узнай вы об этом заранее, то заряжали бы ноутбук в течение ночи, чтобы его хватило часов на восемь. Но вам нужно выходить уже через 20 минут и, возможно, у вас будет еще несколько минут в аэропорту, чтобы отдышаться. В таких ситуациях нужно зарядить ноутбук как можно быстрее, чтобы можно было поработать в полете.

Если бы календарь вашего ПК или Cortana были в курсе ситуации, то активировали бы в этом случае быстрозаряжаемую часть батареи. Если отдать контроль над зарядкой Windows (Google Now, Mac OS X), система могла бы быстро выбирать нужный режим оптимизации — ваше устройство обучилось бы своевременно подзаряжаться так же, как оно обучается узнавать вас по голосу и предугадывать ваши действия согласно режиму дня.

Экспериментируя с носимыми устройствами, в Microsoft скомбинировали гибкую батарею с большой потерей емкости при высокой нагрузке, разместив ее в ремешке, с обладающей более высоким КПД ионно-литиевой, которая находится внутри корпуса гаджета. «Осознав», что пользователь сидит за своим рабочим столом, носимое устройство переключилось в экономный режим, начав расходовать энергию из гибкой батареи. Но как только пользователь отправился на пробежку, в течение которой нужен контроль дистанции и частоты сердечных сокращений, была автоматически задействована ионно-литиевая батарея.

В заключение авторы пишут, что для SDB не понадобится более дорогой контроллер со сложной логикой, и что такие батареи могут быть полезными в широком круге систем, в том числе в беспилотных летательных аппаратах, в умных очках и электромобилях. На следующем этапе исследователи собираются провести испытания новой технологии совместно с умными помощниками вроде Cortana и Google Now, чтобы выяснить, можно ли с их помощью эффективно управлять программно-конфигурируемыми батареями.