К радости налогоплательщиков, иногда ученым приходит в голову идея провести исследование, результаты которого не только будут опубликованы в научных журналах, но и могут иметь отдаленные перспективы полезного применения. Порой их исследования можно проверить на практике, а выводы – принести реальную пользу в быту.
Например – в том, как продлить жизнь обычных пальчиковых батареек. Так, в апреле «Газета.Ru» рассказывала об ученых из Принстонского университета, решивших выяснить, действительно ли по отскоку пальчиковых батареек от твердой поверхности можно судить о том, разряжены ли они.
Проведя натурные эксперименты, ученые доказали, что севшие батарейки в среднем отскакивают выше, чем неиспользованные.
Теперь же американские материаловеды из Калифорнийского технологического института задались целью выяснить немного другое – что происходит в используемых в быту аккумуляторах и как предотвратить их выход из строя.
Аккумулятор батареи состоит из положительного и отрицательного электрода – катода и анода. И во время работы источника электроны движутся с анода через потребителя энергии на катод.
Теряя электроны, носители тока, некоторые атомы на аноде (выполненном, например, из лития), становятся положительно заряженными ионами и движутся к катоду через проводящую жидкость, называемую электролитом.
Каждый раз перезаряжая аккумулятор, мы обращаем этот процесс и положительно заряженные ионы движутся обратно на анод, однако осаждаются на нем неравномерно.
Исследование показало, что, осаждаясь, они образуют микроскопические древовидные наросты, названные дендритами.
Когда эти дендриты становятся настолько длинными, что достигают и касаются противоположного катода, происходит короткое замыкание. В этом случае электрический ток течет не по внешнему контуру, а по этим дендритам, что приближает смерть аккумулятора.
Более того, ток, текущий по дендритам, разогревает их, и, поскольку электролиты бывают легковоспламеняющимися, это может привести к возгоранию элемента. Но даже если эти отростки невелики и не вызывают короткого замыкания, они могут полностью отрываться от анода и плавать в электролите. В этом случае анод просто теряет свой материал, и батарея уже не может накапливать достаточно энергии.
«Дендриты опасны, они уменьшают емкость перезаряжаемых батарей», — уверен Асгар Арьянфар, руководитель исследования из Калтеха. В исследовании принимал участие и выходец из России, специалист по материаловедению Борис Меринов. Чтобы попробовать избавиться от вредных наростов, ученые нагревали элементы до 55 градусов Цельсия на протяжении двух дней.
Выяснилось, что такой нагрев привел к уменьшению наростов на 36%.
А понять, как именно разрушаются эти образования при действии высокой температуры, материаловедам помогло компьютерное моделирование. Для этого они проследили за отдельными атомами в модели дендрита, имеющей форму обычной пирамиды.
Симуляции показали, что нагрев приводит к тому, что, во-первых, атомы на вершине пирамиды сползают вниз и, во-вторых, атомы на нижних уровнях могут покинуть нарост вовсе и на его место падает другой атом металла. Таким образом атомы, из которых состоит дендрит, перемешиваются и дрожат, что в конечном итоге приводит к его разрушению.
Сумев определить, сколько энергии требуется, чтобы полностью разрушить дендрит, ученые смогут лучше понять его структуру и характеристики. И хотя ученые признают, что до конца не изучили феномен разрушения дендритов при нагревании, они уверены, что для по крайней мере частичного восстановления аккумуляторов достаточно немного их нагреть.
«В своих работах мы исследовали один из аспектов, оказывающих влияние на продолжительность жизни литиевых аккумуляторов, а именно: образование дендритов в процессе зарядки-разрядки аккумулятора. В этом смысле «отжиг», как и «пульсирующая зарядка», могут продлить жизнь аккумулятора. Однако следует отметить, что перегрев может стать причиной его деградации», — пояснил «Газете.Ru» соавтор исследования Борис Меринов.