Цивилизация
Не смотря на то, что развитие мобильных компьютеров развивается стремительно, увеличение рабочих характеристик питающих элементов до сих пор не было ознаменовано столь же грандиозными успехами. Промышленность смогла отказаться от токсичных никелькадмиевых аккумуляторов и перешла на литийионные и литийполимерные батареи, однако до сих пор ноутбуки могут работать без внешнего источника питания лишь несколько часов, и всё равно это требует различных «экономичных режимов» использования батарей.
Резкий скачок в эффективности литиевых аккумуляторов обещает обеспечить новое достижение нанотехнологов, утверждающих, что тонкие нитевидные кристаллы кремния, называемые в научной литературе вискерами («усиками» — от английского whiskers), могут десятикратно увеличить емкость батарей.
Новая технология позволит ноутбукам работать в течение нескольких дней, а электромобилям — преодолевать расстояния в сотни километров без перезарядки.
Новшество заключается в увеличении заряда, который может нести на себе положительно заряженный электрод батареи, называемый анодом.
Процесс зарядки батареи можно представить следующим образом: катион Li+ получает один электрон из внешней цепи и перемещается к анодному пространству. Анодом, как правило, служит литиевая фольга.
В процессе эксплуатации аккумулятора происходит обратный процесс: ионы лития отдают свои электроны во внешнюю цепь, которая может питать компьютер, двигатель авто или что-то еще, и мигрируют к катодному пространству через мембрану ионного проводника, часто называемого твердым электролитом. Катоды современных литиевых батарей выполняются из слоистых материалов — как правило, из графита. Катионы лития встраиваются в полости в структуре катода, где и удерживаются силами межатомного электростатического взаимодействия.
В графитовом катоде каждый встраивающийся в межслоевое пространство катион лития затрагивает примерно шесть атомов углерода.
Применение кремния в материале катодов сулит гораздо большую выгоду: здесь каждый атом кремния может принимать до четырех катионов лития в структуре катода. Это обуславливает рекордную емкость батарей, которую можно достичь.
Однако первые попытки создания катодных материалов на основе кремния провалились, так как внедрение лития в структуру кремния приводит к резкому увеличению объема материала (до 400%), что выливается в разрушение и порошкование катода и значительное снижение его емкости.
На смену тонкопленочным и объемным технологиям исследователи под руководством И Цуя из Стэндфордского университета предлагают привести технологии квазиодномерных структур из кремния.
Такие системы вызывают повышенный интерес у материаловедов всего мира в силу уникального сочетания свойств. Нитевидные кристаллы, как правило, практически лишены дефектов кристаллической структуры, а потому обладают огромной прочностью по сравнению с объемными кристаллами и поликристаллическими материалами. Соотношение длины, достигающей в ряде случаев нескольких миллиметров, и толщины, измеряемой нанометрами, а также кристаллической структуры, зачастую содержащей в себе туннели и полости, может вылиться в аномальные магнитные, электрические, оптические и другие свойства. Именно поэтому квазиодномерные структуры изучаются для очень широкого класса химических соединений переходных металлов и полупроводниковых материалов.
Технологию получения таких структур каждая научная группа по понятным причинам старается держать в секрете. В большинстве случаев рост одномерных кристаллов происходит по механизму пар — жидкость — кристалл (VLS — от английского vapor — liquid — solid), однако в случае каждой конкретной системы ноу-хау запуска этого механизма — наиболее ценная интеллектуальная собственность. Однако вискеры кремния были получены и изучены уже довольно давно, потому группа И Цуя применила «стандартную» методику выращивания «леса» кремниевых нанотрубок, один конец которых прикреплен к подложке из нержавеющей стали.
В дальнейшем на основе полученного электрода ученые создали батарею, в которой в качестве анода использовали литиевую фольгу и стандартный полимерный литиевый электролит. В ходе тестовых циклов зарядки и разряда батареи кремниевые нановолокна так же, как и объемные материалы, сильно изменяли свой размер, однако разрушению и порошкованию не подвергались. Подробно использование вискеров кремния в качестве катодного материала рассмотрено на страницах журнала Nature Nanotechnology.
Причина прочности нановолокон, по мнению И Цуя, заключается в способности кристаллической решетки таких квазиодномерных структур обратимо расширяться и сокращаться по нормали к поверхности кристалла. Таким образом, происходит ослабление напряжений, возникающих в материале при внедрении лития в кристаллическую структуру.
При многократных циклах заряда и разряда батареи ученым удалось наблюдать устойчивую емкость аккумулятора, превышающую емкость современных литиевых батарей в десять раз.
Как отметил Гербранд Cедер, эксперт из Массачусетского технологического института, применение кремниевой нанотехнологии в производстве не только катодных, но и анодных материалов, в будущем помогло бы избавиться от использования в батареях крайне неудобного металлического лития, а также снизить вес и объем батарей.
Остается только добавить, что прямые конкуренты аккумуляторов электрической энергии — топливные элементы — несмотря на отдельные достижения материаловедов, пока сильно отстают в развитии, и придут ли они на смену литиевым источникам тока — вопрос открытый.