Команда рассчитывает, что эта технология позволит стабилизировать электросети и управлять нестабильной работой возобновляемых источников энергии.
В рамках международного исследовательского сотрудничества под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) был разработан прототип никель-железной батареи, которая заряжается за считанные секунды и сохраняет свои характеристики более чем в течение 12 000 циклов. Такая долговечность эквивалентна более чем 30 годам ежедневной подзарядки.
«Быстрая зарядка, высокая выходная мощность и длительный срок службы этой технологии позволяют предположить, что она хорошо подходит для хранения избыточной электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями в течение дня, для питания электросети ночью», — пояснили исследователи.
«Это также может быть полезно для резервного электропитания в центрах обработки данных».
Однако эта технология пока не может сравниться по плотности энергии с литий-ионными батареями.
В этой технологии используются кластеры никеля и железа размером менее 5 нанометров, что означает, что от 10 000 до 20 000 кластеров могут поместиться в толщину человеческого волоса.
Благодаря таким размерам исследователи увеличили площадь поверхности электрода, что позволило практически каждому атому участвовать в химической реакции. Эта эффективность позволяет батарее полностью заряжаться за считанные секунды, а не за семь часов, как это было в случае с предыдущими версиями этой технологии.
Инновации посредством биологических шаблонов
Эта разработка основана на концепции 1900 года, когда электромобилей было больше, чем автомобилей с бензиновыми двигателями, но их дальность хода была ограничена 30 милями. Томас Эдисон ранее пытался улучшить этот показатель, используя никель-железную химию, чтобы достичь дальности хода в 100 миль, но в конечном итоге эта технология была вытеснена двигателями внутреннего сгорания.
В новом прототипе, разработанном в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), используются двумерный графен и белки для преодоления проблем с проводимостью, которые ранее ограничивали возможности этого типа батарей.
Исследовательская группа использовала белки, полученные в результате производства говядины, в качестве шаблонов для выращивания металлических кластеров. Эти белки смешивали с оксидом графена, материалом толщиной в один атом.
Смесь перегревали в воде, а затем обжигали при высоких температурах, в результате чего белки превращались в углерод, а кластеры никеля и железа внедрялись в структуру. Полученный материал представляет собой аэрогель, состоящий на 99% из воздуха по объему.
Высокая эффективность батареи обусловлена её большой площадью поверхности. Поскольку графеновый аэрогель тонкий и пористый, в нём достаточно места для химических реакций. По мере того, как металлические частицы сжимаются в нанокластеры, отношение площади поверхности к объёму увеличивается.
Это позволяет осуществлять более быструю зарядку и разрядку по сравнению с традиционными конструкциями батарей, поскольку ионам приходится преодолевать меньшее расстояние и у них больше мест для образования связей.
Масштабируемость для будущих приложений
В настоящее время исследователи изучают возможность использования других металлов в этой технологии изготовления нанокластеров. Они также тестируют природные полимеры в качестве более распространенной замены бычьим белкам для облегчения потенциального производства.
«Поскольку эта технология может продлить срок службы батарей на десятилетия, она может идеально подойти для хранения возобновляемой энергии или быстрого включения в случае отключения электроэнергии», — заключил соавтор исследования Махер Эль-Кади в пресс-релизе.
«Это сняло бы опасения по поводу изменения стоимости инфраструктуры».
Благодаря своей долговечности и быстрому времени отклика, команда рассчитывает использовать эту технологию для стабилизации электросетей и управления нестабильной выработкой возобновляемой энергии.
Sourse: interestingengineering.com
