Технология батареи, корнями уходящая к экспериментам Томаса Эдисона, снова вызывает интерес — но теперь учёные видят для неё нишу в энергетической инфраструктуре, а не в автомобилях. В исследовании в журнале Small группа, включающая инженеров из Университета Калифорнии в Лос‑Анджелесе, описывает прототип аккумулятора, который заряжается за секунды и выдерживает более 12 000 циклов — эквивалент более чем 30 лет ежедневной эксплуатации.
Идея перезаряжаемой электроэнергии не нова. К 1900 году на дорогах США было больше гибридных и электрических машин, чем чисто бензиновых. В 1901 году Эдисон запатентовал работоспособную свинцово‑кислотную автомобильную батарею, и на короткое время казалось, что век транспорта может развиваться по иному пути. Но высокая цена и небольшой запас хода — около 30 миль (≈48 км) — уступили место двигателю внутреннего сгорания, и преемника его никель‑железная версия так и не получила широкого распространения.
Спустя более столетия возобновляемая энергетика получила мощное развитие, и одновременно проявились негативные последствия использования ископаемого топлива. Хотя литий‑ионные аккумуляторы сегодня наиболее знакомы широкой аудитории, концепция Эдисона на основе никеля и железа вовсе не умерла: инженеры UCLA считают её малопригодной для легковых электромобилей, но очень перспективной для стационарных объектов, например солнечных электростанций.
Хотя устройство опирается на взаимодействия на атомарном и нанометровом уровнях, биохимики, в том числе соавтор исследования Махер Эль‑Кади, подчёркивают, что основные принципы достаточно понятны.
«Современные инструменты нанотехнологий кажутся сложными и высокотехнологичными, но наша методика удивительно прямолинейна и доступна», — отмечает он в недавнем профиле UCLA.
Команда черпала вдохновение из двух источников: элементной химии и строения скелета. Кости позвоночных и раковины формируются с помощью белков, которые задают каркас для отложений кальциевых соединений.
«Правильная последовательность и структура наращивания минералов делает кость прочной и в то же время достаточно гибкой, чтобы не быть хрупкой. То, как это устроено, почти так же важно, как и сами материалы; именно белки направляют расположение минералов», — объясняет материаловед и соавтор исследования Рик Канер.
Эль‑Кади и Канер задумались: можно ли заменить кальций на никель и железо. В роли белковой основы учёные использовали побочные продукты мясопереработки и обработали их оксидом графена — одноатомным слоем углерода с кислородом. В результате выросла сложенная белковая структура, насыщенная положительно заряженными атомами никеля для анода и отрицательно заряженными атомами железа для катода. Ширина таких кластеров менее 5 нм; чтобы достигнуть толщины человеческого волоса, потребовалось бы 10–20 тысяч таких образований.
Оксид графена обычно содержит кислород, который ведёт себя как изолятор и мешает работе аккумулятора. Команда решила проблему термической обработкой в перегретой воде: высокая температура карбонизировала белки, удалив кислород, а металлические кластеры дополнительно интегрировались в структуру. В итоге получился аэрогель, почти на 99 % состоящий из воздуха по объёму — и тут в игру вступают принципы удельной поверхности.
«Когда мы переходим от крупных частиц к этим экстремально мелким нано‑кластерам, удельная поверхность резко возрастает. Это огромное преимущество для аккумуляторов», — говорит Эль‑Кади. «При таких размерах почти каждый атом может участвовать в реакции: зарядка и разряд идут намного быстрее, можно хранить больше заряда, и сама батарея работает эффективнее».
По объёму эта никель‑железная аэрогелевая батарея по‑прежнему сильно уступает литий‑ионным аналогам, поэтому она не годится для электромобилей. Но это не просто лабораторный фокус: высокая скорость зарядки, долговечность и способность выдавать большой ток делают её подходящей для солнечных ферм. Такая батарея может быстро аккумулировать излишки энергии в дневное время и отдавать её в сеть ночью. Аналогично она потенциально пригодна в качестве резервного питания для энергоёмких дата‑центров.
Хотя возрождение никель‑железной идеи ещё в зачаточном состоянии, научная база и технологические приёмы уже разработаны. Дополнительный плюс — избавление от зависимости литий‑ионных систем от редкоземельных и дефицитных материалов.
«Мы смешиваем простые ингредиенты, применяем щадящую термическую обработку и используем широко доступные сырьевые материалы», — резюмирует Эль‑Кади.
Почему это важно
- Интеграция с возобновляемой энергией: быстрое накопление дневного избытка и мгновенная отдача в сеть ночью делают систему эффективным буфером для солнечных и ветровых ферм.
- Долговечность: более 12 000 циклов означает десятилетия эксплуатации без частой замены — это снижает операционные расходы и время простоя объектов.
- Скорость зарядки: наноструктура обеспечивает очень высокую удельную поверхность, поэтому зарядка/разряд происходят существенно быстрее, чем у стандартных химий с большими частицами.
- Снижение зависимости от дефицитных материалов: технология использует общедоступные компоненты и не требует того же набора редких металлов, что у некоторых литий‑ионных батарей, что может улучшить устойчивость цепочек поставок.
- Резервное питание для дата‑центров и инфраструктуры: высокая выходная мощность и надёжность делают решение интересным для критических систем, где важна быстрая подача энергии при отказе основной линии.
- Ограничения и реализм: низкая энергоёмкость по сравнению с литий‑ионами ставит технологию вне конкуренции в сегменте электромобилей; для массового применения потребуются промышленная масштабируемость и экономическая оптимизация.
- Доступность исследования: статья опубликована в журнале Small, международном научном издании; в России к материалам можно получить доступ через подписки научных библиотек или платный доступ к журналу. UCLA — американский вуз, но результаты доступны для изучения и дальнейших разработок международному сообществу.
