Эта ситуация знакома, наверное, каждому: перед самым выходом из дома вдруг обнаруживается, что аккумулятор мобильного телефона практически пуст, а на то, чтобы его зарядить, времени не остается, поскольку этот процесс занимает час, а то и полтора. Вот если бы можно было уложиться в полминуты!.. Теперь, похоже, американским материаловедам удалось решить эту задачу - по крайней мере, в лабораторных условиях. Прототип быстрозаряжающегося аккумулятора специалисты Иллинойского университета в Урбане-Шампейн представили в научном журнале Nature Nanotechnology. "В принципе любой аккумулятор состоит из трех основных компонентов - анода, катода и разделителя, то есть положительно заряженного электрода, отрицательно заряженного электрода и перегородки, предотвращающей их замыкание, - говорит руководитель проекта профессор Пол Браун (Paul Braun). - Зарядка и разрядка аккумулятора связана с перемещением ионов и электронов. Причина длительной зарядки заключается в том, что они перемещаются слишком медленно - или, скажем так, недостаточно быстро".

Металлическая нанопена

Проблема в том, что в современных аккумуляторах электроды просто слишком толстые, и пока носители заряда проникнут внутрь электродов, проходит немало времени. Конечно, можно было бы сделать электроды очень тонкими, но это не выход, - говорит профессор Браун: "В принципе, это всегда был компромисс: если вам нужен аккумулятор, заряжающийся быстро, то он будет обладать очень невысокой емкостью, если же вы хотите повысить емкость аккумулятора, то вам придется смириться с медленной зарядкой. Нам же удалось создать конструкцию, сочетающую высокую емкость с малым временем зарядки".

Секрет этой конструкции - в особой наноструктуре электродов, поясняет ученый: "Вместо того, чтобы заниматься разработкой новых материалов, мы обратились к старым материалам, которые уже давно и весьма широко используются при изготовлении аккумуляторов, но внесли существенные изменения в технологию производства. Мы придали материалу электродов трехмерную гексагональную структуру. Получилась некая мелкопористая металлическая пена, под микроскопом напоминающая пчелиные соты. Такая структура обладает гигантской суммарной площадью поверхности, поэтому носители заряда поглощаются электродами очень быстро. В результате наш прототип нового литиево-ионного аккумулятора обладает весьма необычными свойствами".

Телефон - за 30 секунд, ноутбук - за 2 минуты

Как обычная резиновая губка впитывает воду практически мгновенно, точно так же металлическая наногубка американских инженеров поглощает ионы лития и электроны с поистине невероятной скоростью. "Поскольку же носители заряда перемещаются столь быстро, нам удалось создать прототип аккумулятора, время зарядки которого измеряется секундами, а не минутами или часами, - говорит профессор Браун. - Этот прототип, своими размерами и емкостью сопоставимый со стандартным аккумулятором для карманного калькулятора, заряжается всего за 10 секунд. Согласно нашим расчетам, изготовленный по такой же технологии аккумулятор для мобильного телефона можно было бы зарядить за 30 секунд, для ноутбука - за две минуты, а для электромобиля - наверное, минут за пять".

Пять минут - это ненамного больше, чем мы тратим сегодня на бензоколонках, заливая полный бак. То есть по этому показателю аккумулятор американских инженеров был бы в области автомобилестроения вполне конкурентоспособен. Кроме того, он мог бы сыграть важную роль в качестве буферной батареи в электросетях, питаемых от солнечных или ветрогенераторов, то есть поддерживать постоянство эксплуатационных параметров сети в ситуациях, когда, скажем, солнце скрывается за тучей и производительность солнечной батареи падает, или когда ветер дует не ровно, а порывами. Но до этого еще далеко, признает профессор Браун: "Мы планируем начать с маленьких аккумуляторов - наподобие тех, что используются в мобильных телефонах или портативных компьютерах. Тут все упирается в проблемы технологического, вернее, производственного характера. Наша конструкция несколько сложнее в изготовлении, и мы пока не нашли оптимального решения. Правда, кое-какие интересные идеи у нас уже есть, но прежде, чем готовый продукт появится на рынке, пройдет еще, думаю, года три".

Что же касается применения новаторских аккумуляторов в электромобилях, то на этом пути есть еще одно серьезное препятствие. Уложиться с зарядкой в пять минут можно будет лишь при условии кардинального изменения конструкции и параметров самих зарядных устройств, бытовой розеткой на 220 вольт здесь не обойтись. А таких высокоскоростных зарядных устройств пока нет и в помине.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Марина Борисова