День рождения Алессандро Вольты. Пять «батареек» для завтрашних технологий
День рождения Алессандро Вольты. Пять «батареек» для завтрашних технологий
18 февраля 1745 года в итальянском городишке Комо родился Алессандро Джузеппе Атонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта - будущий изобретатель первого химического источника электрического тока.
Заинтересовавшись исследованиями «животного электричества» Гальвани, Алессандро Вольта проделывает множество экспериментов, результатом которых в конечном итоге становится его знаменитый «вольтов столб» - электрическая батарейка. А самую первую свою батарею Вольта назвал «короной из чашек»: несколько чашек, заполненных подогретым раствором соли, он поставил по кругу. В каждую из них опустил пластинки из разных металлов. Пластинки соседних чашек были соединены медными проводками… Но это было очень непрактично. И вот в 1799 году в лаборатории Вольта рождается, говоря сегодняшним языком, чрезвычайно технологичная и надёжная конструкция источника постоянного электрического тока - «вольтов столб».
[Spoiler (click to open)]
Вот как он сам описывает своё изобретение: «Я кладу на стол или на какую-нибудь опору одну из металлических пластинок, например серебряную, и на неё цинковую и затем мокрый диск и т. д. в том же порядке. Всегда цинк должен следовать за серебром или наоборот, в зависимости от расположения их в первой паре, и каждая пара перекладывается мокрым диском. Таким образом я складываю из этих этажей столб такой высоты, который может держаться, не обрушиваясь». Были испытаны самые разные сочетания металлов, и оказалось, что лучше всего «работают» кружки из меди и цинка, между которыми помещена картонная прокладка, пропитанная калиевой щёлочью.
Забавно: одними из первых потребителей «вольтова столба», создававшего напряжение в 60-70 В, стали врачи, лечившие своих пациентов разрядами электрических скатов. Скаты были в дефиците, а желающих пройти процедуру - хоть отбавляй. Известно, что в Англии за один удар током пациенты платили от 2 до 12 шиллингов. Ясное дело, «вольтов столб» пошёл на ура… Кстати, когда в 1801 году Вольт приехал в Париж для демонстрации Наполеону Бонапарту своих электрических опытов, его главное изобретение так и называлось - «искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската». Демонстрация опытов привела Наполеона в восторг. Он распорядился отчеканить в честь Вольты медаль, учредить премию в 80 тыс. экю, а позднее удостоил графского титула и сделал его членом Королевского сената Италии.
В каком-то смысле Алессандро Вольта можно сравнить со скалолазом, который, где-то там, на вершине, столкнул вниз камешек, вызвавший грандиозную лавину. Лавину открытий, изобретений, технологий, которые стали возможными благодаря простому обстоятельству: в руках исследователей электричества появился надёжный источник… электричества. Всё остальное, как говорится, дело таланта и техники. Сегодня, в день рождения Алессандро Вольты, давайте посмотрим, чем заняты нынешние продолжатели его дела, 269 лет спустя.
1. Мельчайшая батарейка
Эта разработка группы исследователей Национальной лаборатории «Сандиа» (США) под руководством Цзяньюй Хуана (на фото ниже) пока не рассматривается в качестве прототипа какого-либо продукта, однако позволяет составить представление о возможных плотностях энергии, накапливаемой в литиевых аккумуляторах.
Самая маленькая из ныне существующих литий-ионных аккумуляторных батарей была изготовлена на базе нановолокна из оксида олова (катод) и оксида кобальта (анод). С помощью просвечивающего электронного микроскопа Центра нанотехнологий Министерства энергетики США исследователи смогли в реальном времени наблюдать процессы внедрения ионов лития в кристаллическую решётку наноэлектрода и убедиться, что нановолокна способны не разрушаясь многократно выдерживать колоссальные механические напряжения (более 10 ГПа) во время насыщения литием. Самый маленький в мире аккумулятор-проволочка имеет длину 10 мкм и диаметр 100 нм. Рабочее напряжение - 3,5 В при токе порядка единиц пикоампер.
2. Печатное издание аккумулятора
«Напечатать» на 3D-принтере крохотный литий-ионный аккумулятор размерами менее 1 мм сумела недавно группа исследователей из Гарвардского и Иллинойсского университетов. Специальная печатающая головка с отверстием диаметром 30 мкм формировала слои электродов со скоростью 1 миллиметр в секунду.
Катод аккумулятора представляет собой литированный фосфат железа, анод - титанат лития. В ходе экспериментов был изготовлен работоспособный образец аккумулятора, помещённый в пластиковый корпус, содержащий крошечную каплю электролита (на фото внизу).
3. Чистая органика…
От самых маленьких аккумуляторов перейдём теперь к гигантским конструкциям новейших так называемых проточных аккумуляторов (на фото ниже - одно из таких устройств), призванных стать накопителями энергии, которая вырабатывается солнечными станциями, ветрогенераторами и электростанциями, использующими энергию океанских приливов. Главной идеей этого типа аккумуляторов является хранение энергии не в электродах, а в электролите, что открывает принципиальную возможность создавать хранилища энергии практически любой ёмкости.
Самые последние новости из области этих технологий связаны с созданием проточных аккумуляторов, в которых используются электрохимические реакции в среде органических соединений. Совсем недавно группа учёных Гарвардского университета под руководством Майкла Азиза запустила в работу проточный аккумулятор на основе водного раствора хинонов (исследователи шутят: эти вещества сродни тем, которыми так богато растение ревень).
Главным преимуществом новой конструкции органического аккумулятора перед существующими является значительное снижение удельной стоимости. Если традиционные «проточники» на неорганическом электролите имеют стоимость около $700 за кВт•ч, то новый гарвардский аккумулятор оценивается всего в $27.
4. Стартапы наступают…
Только за прошлый год на цели создания новых типов химических источников тока более десятка стартапов в США получили финансирование в сумме более $1,5 млн «на брата». Над чем они работают сейчас? Ну, вот, например…
Стартап Ambri профессора Массачусетского технологического института Дона Садовея развивает направление, в рамках которого планируется создать новый тип аккумулятора, где используются электроды из жидкого металла и расплавленный солевой электролит.
Компания Imprint Energy вовсю трудится над созданием ультратонких, гибких, как бумага, аккумуляторов, изготавливаемых по технологии трафаретной печати. В этих приборах вместо лития будет использоваться цинк. Основными потребителями новых аккумуляторов, как сообщается, будут носимые медицинские приборы. На фото ниже - более «толстый» аналог этой разработки от компании Apple.
Финансируемый американской программой ARPA-E стартап Pellion нацелился на тотальный перебор всех возможных материалов катода аккумулятора, способных работать с магниевым анодом. С этой целью создана специальная компьютерная программа моделирования, которая должна проанализировать более 10 тысяч возможных электрохимических пар.
Компания Prieto Battery, созданная профессором Эйми Прието, намерена в течение ближайших полутора лет выпустить новый литий-ионный аккумулятор на основе медных нанопроводов (анод) и твёрдого полимерного электролита, который будет способен заряжаться за 5 минут, имея ёмкость в 5 раз выше нынешних.
5.И запах серы…
Аккумулятор рекордной энергоёмкости на базе необычной электрохимической пары «литий - сера» создали в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли. Если обычная литий-ионная батарея обладает удельной ёмкостью около 200 Вт•ч/кг, то у нового литий-серного аккумулятора этот показатель достигает 350-400 Вт•ч/кг. В случае использования этой батареи в электромобиле, дальность пробега его составит примерно 450-500 км без подзарядки (против 180-250 км на литий-ионной той же массы).
Новая батарея, кроме того, способна выдержать около 1 500 циклов заряда-разряда, что в 1,5 раза выше, чем у литий-ионных. Столь замечательные характеристики достигнуты, в числе прочего, за счёт применения нового композитного анода на базе связки графен - сера.
