Прощай, литий-ион? Скрученные нанотрубки - новая эра аккумуляторов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

28 июля 2024, 10:00

В современном мире, стремящемся к устойчивому развитию и отказу от ископаемого топлива, потребность в эффективных, безопасных и экологичных накопителях энергии возрастает с каждым днем. Существующие технологии, такие как литий-ионные батареи и суперконденсаторы, хоть и стали неотъемлемой частью нашей жизни, уже не в полной мере удовлетворяют растущие требования к емкости, скорости заряда/разряда, безопасности и сроку службы. На этом фоне научное сообщество ведет активный поиск новых, более совершенных способов хранения энергии.

Одним из самых многообещающих направлений в этой области являются исследования в сфере наноматериалов, и в частности, углеродных нанотрубок (УНТ). Обладая уникальным сочетанием высокой прочности, упругости, электро- и теплопроводности, УНТ открывают перед учеными и инженерами невиданные ранее возможности для создания материалов с заданными свойствами.

Группа ученых из Японии и США представила миру удивительное открытие, которое может стать настоящим прорывом в области энергетики — скрученные канаты из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), способные накапливать колоссальное количество механической энергии. Представьте себе миниатюрную пружину, настолько крошечную, что её невозможно разглядеть невооруженным глазом, но при этом способную превзойти по своим энергетическим характеристикам даже самые передовые литий-ионные батареи.

Секрет кроется в уникальном строении ОУНТ и механизме накопления энергии. Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой полый цилиндр, образованный свернутой в трубку одноатомной плоскостью графена — двумерной модификации углерода. Благодаря прочным ковалентным связям между атомами углерода, ОУНТ обладают невероятной прочностью на разрыв и упругостью, многократно превосходящими показатели стали.

При скручивании ОУНТ в канаты, подобно тому, как скручивают нити в канат, в них запасается значительное количество механической энергии. Это явление можно сравнить с заводом пружины: чем сильнее её скрутить, тем больше энергии в ней накопится. При раскручивании же эта энергия высвобождается, совершая работу.

a, Диапазоны накопления энергии и плотности мощности распространенных носителей энергии. Заштрихованные области (LIB, тротиловая взрывчатка и ископаемое топливо) обозначают потенциально опасные носители электрохимической или химической энергии, которые могут загореться или взорваться в неблагоприятных условиях. В отличие от других энергоносителей, высвобождение рекордных количеств энергии, хранящихся в химических связях ископаемого топлива и взрывчатых веществ, необратимо. ★ - плотность мощности взрывчатого вещества тротила, ∼6,2 x 1011 Вт кг-1. Ученые провели графическое различие между нециклируемыми и циклируемыми носителями информации и определили потенциальные риски безопасности. b. Схематическая морфология скрученного каната SWCNT (слева) и одной составной нити (справа). c, SEM-микрофотография скрученного SWCNT-троса. d, Температурная зависимость максимального GED скрученного SWCNT-троса при деформации кручения ε ≈ 0,6. Максимальный GED нормирован по отношению к GED при 25 °C. Отдельные точки данных изображены черными сплошными квадратами; данные представлены как среднее +- s.d. для n = 3 образцов у-троса (ТПУ). Во время непрерывного измерения каждый образец каната сначала нагревался от 298 K до высокой температуры, а затем охлаждался до низкой температуры. При каждой температуре выполнялось три последовательных цикла скручивания/отпускания. Пунктирная оранжевая линия показывает, что в пределах погрешностей GED не зависит от температуры. e, Циклическая устойчивость y-образного каната (ТПУ) в течение 100 последовательных циклов скручивания/отпускания. Нормированный GED измерен до максимальной деформации кручения ε = 0,6 при частоте вращения 110 об/мин. Временная зависимость GED в течение первых нескольких циклов показана на вставке. Отдельные точки данных изображены в виде красных сплошных квадратов; данные представлены как среднее +- s.d. для n = 3 образцов y-троса (ТПУ). Вставки: SEM-микрофотографии y-троса (ТПУ) после начальных циклов предварительного кондиционирования и после 100 циклов скручивания/отпускания.

Автор: Utsumi, S., Ujjain, S.K., Takahashi, S. et al. Giant nanomechanical energy storage capacity in twisted single-walled carbon nanotube ropes. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01645-x CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Однако на практике реализовать потенциал ОУНТ для хранения энергии оказалось не так просто. Дело в том, что отдельные нанотрубки, хоть и обладают фантастической прочностью, склонны к слипанию и образованию комков, что снижает эффективность передачи нагрузки между ними. Для решения этой проблемы ученые разработали особый метод обработки ОУНТ с использованием термопластичного полиуретана (ТПУ).

ТПУ — это эластичный полимерный материал, который, подобно клею, способен проникать между отдельными нанотрубками, скрепляя их между собой и образуя прочную и упругую структуру. Благодаря этому, нагрузка при скручивании каната распределяется равномерно между всеми ОУНТ, что позволяет запасать и высвобождать энергию с максимальной эффективностью.

Результаты экспериментов превзошли все ожидания. Оказалось, что скрученный канат из ОУНТ, обработанный ТПУ, способен накапливать до 2.1 МДж/кг энергии. Это в три раза превышает удельную емкость современных литий-ионных аккумуляторов, которые считаются одними из самых энергоемких химических источников тока.

a, Приборы, используемые для динамических GED-измерений скрученных SWCNT-тросов. Вставка: увеличенное изображение крючков для крепления образца каната. b, Схематическое изображение процессов функционализации, используемых для нанесения углерода или серы на поверхность или интеркаляции полимеров в нити SWCNT. c, d, SEM-микрофотографии y-образных канатов в их первозданном состоянии (c) и после нанесения TPU (d), с последующим микроволновым (MW) облучением. e, SEM-микрофотографии y-тросов, подвергнутых различным деформациям кручения, в сравнении с расчетной морфологией крученых нанотрубок. f, GED как функция деформации кручения ε в y-тросах и модифицированных образцах y-тросов сопоставимого диаметра (30 +- 4 мкм).

Но и это ещё не все. В отличие от литий-ионных батарей, которые со временем теряют свою емкость, наномеханический накопитель на основе скрученных ОУНТ практически не подвержен деградации. Кроме того, он абсолютно безопасен: в отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые могут воспламениться при повреждении, скрученные ОУНТ не представляют угрозы возгорания или взрыва. И, наконец, такой накопитель способен работать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным кандидатом для применения в экстремальных условиях.

Открытие японских и американских ученых — это настоящий прорыв в области энергетики, который открывает перед человечеством невиданные ранее возможности. Миниатюрные, легкие, безопасные и при этом невероятно емкие накопители энергии на основе скрученных ОУНТ имеют огромный потенциал для применения в самых разных областях — от портативной электроники и электромобилей до медицинских имплантатов и космической техники.

a, Нормированная интенсивность G-полосы нетронутых образцов SWCNT и y-троса (TPU) в зависимости от θ, угла между направлением поляризации света и длинной осью SWCNT. Интенсивности в G-диапазоне нормированы по отношению к интенсивности при θ = 0°. Здесь y-трос (TPU) был проанализирован до скручивания, чтобы понять эволюцию ориентаций в процессе изготовления троса. Вставка: схематическое изображение угла между направлением поляризации и осью каната SWCNT. Данные представлены как среднее +- s.d. для n = 3 образцов каждого типа. b, c, SEM-микрофотографии y-тросов (TPU) до (b) и после 50 циклов скручивания/раскручивания (c).

Конечно, технология пока находится на ранней стадии разработки, и перед учеными стоит ещё много задач. Одной из главных проблем является масштабирование производства: пока что получение большого количества скрученных ОУНТ сопряжено с технологическими трудностями.

Однако потенциал у этой технологии колоссальный, и можно с уверенностью сказать, что в ближайшие годы нас ждут новые открытия и прорывы в области накопителей энергии на основе скрученных углеродных нанотрубок. Возможно, уже совсем скоро эти миниатюрные пружины произведут настоящую революцию в энергетике, открыв перед человечеством новые горизонты.