натриевый аккумулятор

Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.

Озеро в засуху мелеет не сразу. Сначала на глади появляются островки суши, они расширяются, сливаются, и лишь потом вода уходит с обнажившегося дна. Похожим образом ведёт себя кристалл мирабилита, когда теряет воду: на его поверхности проступают круглые пятна безводной соли, которые растут вширь, а затем начинают углубляться.

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.

Если выключить плиту, вода перестаёт кипеть почти мгновенно. В мире катализа ожидали похожей картины: остановили реакцию — и все промежуточные частицы тут же исчезли. Но свежие наблюдения за платиновой крошкой показали совсем другое.

Поваренная соль — один из самых изученных продуктов в медицине. Десятилетиями студентов учили по модели Артура Гайтона: съел солёного — кровь разбавилась, объём временно вырос, почки тут же вывели лишнюю воду, и всё вернулось на круги своя. Стройная схема, похожая на работу поплавка в бачке унитаза.

Представьте два маятника, подвешенных на общей нити: толкните один — и второй начнёт раскачиваться, а спустя мгновение первый получит ответный толчок. В атоме тория-229 происходит нечто подобное: энергия почти без потерь перетекает между электронной оболочкой и ядром.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Три гитарные струны на одном инструменте, но колки у каждой вращаются с разным усилием: одна поддаётся сразу, другую крутишь с трудом, а третья и вовсе заедает. Примерно так выглядит работа с кремниевыми квантовыми точками — крошечными островками-кубитами, где каждый требует своего электрического «напряжения-колка», чтобы правильно звучать.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

Мемристор — это резистор с памятью: после выключения тока он сохраняет своё сопротивление. Внутри него тонкая плёнка оксида металла зажата между двумя металлическими электродами. Когда через устройство впервые пропускают сильный ток, в оксиде образуются проводящие нити из кислородных пустот, и сопротивление резко падает.

Водород — идеальное топливо: при использовании он даёт только воду, а не углекислый газ. Беда в том, что водород — самый лёгкий газ, его молекулы просачиваются из любых ёмкостей. Сейчас водород в машинах держат в тяжёлых баллонах под огромным давлением, что сводит на нет преимущества в весе. Исследователи обошли проблему без высокого давления.

Солнечная батарея обычно ловит свет одной стороной, а сзади у неё сплошная металлическая подложка. Здесь заднюю стенку сделали из прозрачного проводящего материала — оксида индия с оловом. Свет, который батарея не поглотила, проходит насквозь. Такую батарею можно поставить второй сверху: первая заберёт синюю часть спектра, а нижняя — красную, как два сита, поставленные друг за другом.

Ниобий — металл, который при охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля проводит ток без сопротивления. В лабораториях его наносят тонкими дорожками на подложку, как крем на торт. Но в процессе нанесения из специальной маски в металл проникает кислород, и он портит сверхпроводящие свойства.

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».

Мембрана для электролиза воды похожа на губку, пропитанную водой. Внутри неё должны свободно передвигаться гидроксид-ионы — частицы, которые переносят электрический заряд. Но как именно они движутся, долго оставалось загадкой: слишком сложно проследить за каждым ионом в эксперименте.

Твёрдый электролит — как губка для ионов лития. В обычной литиевой батарее ионы плавают в жидкости, как рыбы в аквариуме. В твердотельной батарее им приходится протискиваться сквозь кристаллическую решётку, как сквозь узкие коридоры. Чем больше свободных мест в решётке, тем быстрее ионы добираются от одного электрода к другому.

Представьте два смартфона с идентичными аккумуляторами. Один заряжается в подвале, где сигнал сети едва теплится, — и процесс идёт медленнее. Процент заряда здесь выступает стрелкой часов: по нему мы судим о течении времени. Эту наглядную логику физики перенесли в квантовый мир. Их часы — микроскопическая батарея, накапливающая энергию.

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.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в такт. Малейший шорох в зале сбивает скрипача, и мелодия рассыпается. В кремниевых чипах роль таких шорохов играет электрический шум: случайные колебания заряда внутри материала. Они заставляют квантовые биты ошибаться. Инженеры решили выяснить, как устройство самого чипа связано с этим шумом.

Звук на поверхности кристалла — как рябь на воде, только бежит по твёрдому телу. Такая рябь называется поверхностной акустической волной: она движется в сто тысяч раз медленнее света, поэтому её можно сжать в очень короткие отрезки и уместить на крошечном чипе. Обычно такие волны запускают металлическими гребёнками из алюминия или золота.

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.

Железный порошок, нагретый до 650–800 градусов, впитывает водород, как сухая губка — воду. Но после нескольких циклов частицы слипаются в плотный ком, и губка перестаёт работать. Добавка вольфрама меняет картину: при каждом нагреве порошок сам себя вспенивает, оставаясь рыхлым и пористым.

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.

Солнечный свет падает на крышу, и в тонкой плёнке рождаются электроны. Они должны успеть добежать до проводов, пока не остыли и не растеряли энергию. В сульфиде олова — дешёвом и доступном материале для батарей — этот бег и остывание удалось снять с невиданной резкостью: кадры следуют через миллиардные доли миллиардной доли секунды.

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.

Литий в батарее иногда ведёт себя как плющ на фасаде: вместо ровного слоя выпускает тонкие острые отростки. Эти иглы могут проткнуть разделитель внутри аккумулятора и вызвать короткое замыкание. Поэтому инженеры ищут способы заставить литий расти спокойно. Один из найденных приёмов — подложить под литий тонкую серебряную плёнку.

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.

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.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

Лист графена опускают в раствор сульфата натрия — обычной соли, похожей на поваренную. У самой поверхности вода перестаёт быть однородной: она выстраивается слоями, как стопка блинов. Между этими слоями и внутри них распределяются ионы — заряженные частицы, на которые распалась соль.

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.

Кусочек хрома на воздухе за минуту покрывается невидимой бронёй — оксидной плёнкой. Она защищает металл от ржавчины, но для батареи это беда: плёнка не пропускает ионы хрома, и ток не идёт. Учёные смешали пять металлов — хром, висмут, медь, олово и никель. Получился сплав, в котором при окислении образуется не сплошная броня, а мозаика из разных оксидов.

Пучок тяжёлых ионов в ускорителе похож на толпу людей, которые расталкивают друг друга локтями: чем больше народу, тем шире толпа. Заряженные частицы отталкиваются, и при токе выше нескольких микроампер пучок расползается, теряет форму. Для лёгких частиц это терпимо, но для тяжёлых, например ионов золота, проблема стоит остро: они летят медленно, и расталкивание успевает испортить пучок.