литий-ионный аккумулятор

Книга с защёлками на страницах: перелистнуть можно, только если знать, как щёлкнуть по краю. Примерно так устроен механический метаматериал, о котором пойдёт речь. Каждая ячейка в нём — это маленькая масса внутри большей, соединённая с ней упругой фермой. Ферма может находиться в двух устойчивых положениях, как выключатель.

Стопка страниц, которую листали много раз, запоминает это: одни листы ложатся ровно, другие топорщатся, а кое-где остаются заломы. Примерно так ведут себя слоистые материалы, когда в них входят ионы. В новой работе учёные наблюдали за отдельными чешуйками MXene — двумерного карбида титана — и увидели, как история циклов зарядки и разрядки меняет их структуру.

Свет можно заставить поворачивать по команде, как воду в шланге — если знать, где нажать. Именно это делают электрооптические схемы: меняют направление луча внутри чипа электрическим полем. Классический материал для таких фокусов — ниобат лития, кристалл, который откликается на напряжение, как струна на щипок.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

В каждом аккумуляторе или суперконденсаторе есть незаметный, но важный игрок — полимерный клей. Он скрепляет частицы активного вещества и помогает им держаться на токосъёмнике. Раньше его считали просто инертной массой: есть и есть, лишь бы не мешал. Но в этой работе клей вышел на первый план. Стадион, где зрители-ионы должны занять места на трибунах-электродах.

Отработавшие свой срок аккумуляторы электромобилей ведут себя подобно капризным музыкантам: одна ячейка отдаёт ток «громче», другая — «тише», третья неожиданно «расстраивается» из-за повышенного саморазряда. Если собрать из них батарею наобум, получится какофония: одни ячейки перегружаются, другие простаивают, и система быстро выходит из строя.

Твердый электролит — не просто кристаллическая решётка, а настоящий оживленный мегаполис для ионов. Каждый акт проводимости напоминает поездку через город: есть широкие магистрали с низким энергетическим барьером, глухие пробки в узких местах и коварные объезды, где ион может застрять.

Литиевая батарейка похожа на крошечный город: ионы лития — жители, которые переезжают между районами-электродами, создавая ток. Но чтобы понять, сколько энергии город может отдать, нужно знать не только планировку улиц (структуру материала), но и как жители взаимодействуют с соседями, транспортом и даже погодой.

Старение батареи похоже на усталость металла: трещина зреет внутри задолго до того, как деталь сломается. Обычно о проблеме узнают, когда ёмкость падает ниже 80% — но к тому моменту повреждения уже необратимы.

Обычная батарея в телефоне дышит — но не воздухом, а контактом. Внутри твёрдого тела, где нет жидкостей, литий при зарядке прижимается к электролиту (веществу, проводящему ионы), а при разрядке отходит, словно лёгкое на вдохе и выдохе. Это «дыхание» — не поэзия, а физика: каждый цикл рождает и убивает точки касания, через которые идёт ток.

Литиевая батарея похожа на бутерброд: два куска хлеба — электроды, а между ними начинка — электролит, через который ионы лития бегают туда-сюда. В обычных батареях начинка жидкая, как соус, и может протечь или загореться. В твёрдотельных батареях начинка — как ломтик сыра: он не течёт, но важно, чтобы он не крошился и не вступал в реакцию с хлебом.

Обычная флешка хранит биты в ловушках для электронов, но прочитать их можно только через отдельный провод и усилитель. В новой разработке роль и хранилища, и лампочки играет один и тот же кусочек полуметалла теллура.

Обычный графитовый анод в натриевой батарее похож на тесный гараж, куда с трудом влезает крупный грузовик. Натрий крупнее лития и плохо помещается между слоями графита, поэтому батареи быстро теряют ёмкость. Исследователи нашли выход: взяли лист графена и пришили к нему с одной стороны аминогруппы — молекулярные «крючки».

Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло.

Внутри любой батареи плещется жидкость-электролит, и от того, как в ней толпятся ионы, зависит, сколько энергии батарея отдаст и как долго проживёт. Раньше, чтобы заглянуть в эту толпу, приходилось либо ставить долгие опыты, либо запускать сверхточные расчёты, которые съедают недели компьютерного времени.

Солнечная батарея — как сердце: если заставить её биться в неправильном ритме, она быстро устаёт. Обычно элементы проверяют, подавая обратное напряжение, но в реальной жизни тень от листа или птицы заставляет соседние ячейки пропускать через себя чужой ток. Авторы новой работы впервые детально изучили, что происходит, когда через перовскитный элемент гонят постоянный обратный ток.

Ровный лазерный луч — как натянутая струна: если она хоть чуть-чуть дрожит, музыка превращается в какофонию. В квантовом компьютере лазер удерживает атомы в ловушке, и любая дрожь частоты ломает вычисление. Поэтому раньше лазерные установки занимали целые столы, а настройка занимала недели.

Литиевая батарея похожа на дом с кладовкой: при зарядке литий заходит внутрь, при разрядке выходит. Но если кладовка захламляется, часть лития остаётся внутри навсегда. От того, из какого металла сделаны стенки кладовки, зависит, сколько лития вернётся. Авторы работы взяли четыре металла: алюминий, магний, серебро и медь. Каждый впитывает литий по-своему.

Внутри каждой микроскопической частицы, образующей катод натрий-ионного аккумулятора, натрий распределён неравномерно: словно сахар в чае, сбившийся в комки, его концентрация варьируется от участка к участку. Эта неоднородность — мера беспорядка в распределении ионов — напрямую снижает ёмкость и срок службы батареи.

В обычной батарее есть два электрода — анод и катод. В твердотельных аккумуляторах (где электролит твёрдый, а не жидкий) инженеры стремятся исключить анод как отдельную деталь: тогда батарея становится легче и может запасти больше энергии.

Аккумулятор в телефоне или электромобиле — это маленький химический завод. Внутри него ионы лития бегают между двумя электродами, а на границе с жидкостью-электролитом образуется тонкая плёнка — она и определяет, сколько прослужит батарея. Плёнку эту называют твёрдоэлектролитным интерфейсом.

Современные аккумуляторы с жидким электролитом могут протечь или загореться. Полимерные электролиты — твёрдые, как пластик, — решают эту проблему, но ионы в них движутся медленнее, и батарея теряет мощность. Исследователи создали виртуальный конвейер: компьютерная программа генерировала новые структуры полимеров, как повар пробует новые рецепты теста.

Обычная солнечная батарея делает одно дело: светит солнце — течёт ток. А здесь светит солнце, и ток течёт по-разному в зависимости от того, с какой стороны поднести магнит. Слой из молекул фуллерена (похожих на футбольный мяч) работает как посредник: он рождает носители заряда под светом и пропускает через себя электроны с заданным направлением вращения — как будто сортирует их по кручению.

Марганец — это кирпичики в стене, а цинк — гость, который приходит и втискивается между ними. Если гость садится неудобно, он выталкивает кирпичик из кладки. Примерно это происходит в цинк-ионной батарее: при разрядке ионы цинка встраиваются в кристаллическую решётку оксида марганца, и марганец начинает вымываться в раствор.

Старую футболку растворили в щёлочи, получили гель — и он стал сердцем накопителя энергии. Второй компонент сделали из хитозана, вещества из панцирей креветок. Никаких металлов: только переработанный хлопок и морепродукты. Гель пропитали солью аммония, и его проводимость выросла почти вдвое: с 17,1 до 37,8 миллисименс на сантиметр.

Обычный материал разрушается молча. Сначала внутри него рвутся невидимые нити-перемычки, и только потом появляется трещина, которую можно заметить глазами. Инженеры из Университета Карнеги — Меллона научили материал «говорить» о таких скрытых повреждениях. Они напечатали на 3D-принтере решётку, похожую на пчелиные соты, но с более сложным узором.

Натрий — сосед лития по таблице Менделеева, но его в земной коре в сотни раз больше, и он гораздо дешевле. Поэтому натриевые батареи могли бы заменить литиевые в электромобилях и накопителях энергии. Проблема в том, что натрий крупнее лития, и ему труднее пробираться сквозь кристаллическую решётку катода. Материал быстро устаёт, ёмкость падает.

Атомное ядро обычно живёт в одном энергетическом состоянии, как мяч, лежащий на полу. Но у тория-229 есть редкое исключение: ядро может застрять на крошечной ступеньке над полом — в так называемом изомерном состоянии. Эта ступенька настолько низкая, что её можно задеть обычным светом, а не жёстким излучением.

Внутри батареи, как в многослойном пироге, соседствуют разные твёрдые слои. Место их встречи — граница — ведёт себя капризно: там концентрируются напряжения, и со временем батарея стареет. Чтобы понять эти процессы, нужны компьютерные модели, которые видят каждый атом. Но точные расчёты слишком дороги, а быстрые — слишком грубы.

В литий-серной батарее сера норовит раствориться и уплыть к другому электроду — батарея теряет заряд за десятки циклов. Чтобы удержать беглянку, между электродами ставят плёнку-разделитель. Обычная полиэтиленовая плёнка пропускает ионы лития, но вместе с ними проскакивают и серные молекулы.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом не расходуется. Лучший катализатор тот, где каждый атом металла на счету: чем мельче частицы, тем больше атомов на поверхности и тем активнее материал. Учёные давно мечтают закрепить на подложке одиночные атомы металла, но сделать это равномерно и в больших количествах было сложно.

Копилка, в которую монеты падают легко, а достать их можно только разбив её. Нечто похожее происходит с новым материалом для натриевых батарей. Он охотно принимает ионы натрия при зарядке, но при разрядке почти ничего не отдаёт. Материал с формулой Na4NiCr(PO4)3 относится к семейству NASICON — это каркасные структуры, где ионы натрия могут путешествовать по трёхмерной сети каналов.

В новом процессоре Helios 98 ионов бария движутся по замкнутому маршруту в электромагнитной ловушке, словно лошадки на карусели. Такая архитектура — кольцевой регистр — позволяет любому иону обмениваться квантовой информацией с любым другим напрямую, делая систему гибкой и масштабируемой.