Идея Эдисона возрождена: ученые создали никель-железный аккумулятор, заряжающийся за секунды

Прорыв в хранении энергии: наследие Эдисона в нанотехнологиях

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) совершили значительный прорыв, возродив и кардинально усовершенствовав конструкцию никель-железного аккумулятора, которую более века назад разрабатывал Томас Эдисон. В то время как изобретатель не смог довести свою концепцию до универсального решения, современные ученые, используя передовые наноинструменты, представили прототип с феноменальной скоростью зарядки и исключительной долговечностью.

Оригинальный аккумулятор Эдисона, предложенный в начале 1900-х годов, имел ряд недостатков, включая громоздкость и выделение водорода во время работы, что делало его небезопасным. Современный прототип, хотя и отходит от первоначальных целей Эдисона (питание электрокаров), позиционируется как идеальное решение для стационарного хранения возобновляемой энергии.

Биомиметика как ключ к сверхбыстрой зарядке

Ключ к успеху нового устройства лежит в нетрадиционном подходе, вдохновленном природными процессами. Ученые применили принципы, по которым животные формируют кости, а моллюски — раковины. Как объясняет биохимик и соавтор исследования Рик Каннер, в природе важен не только материал, но и способ его укладки, который определяется белками.

Команда из UCLA использовала свернутые белки, которые служат основой для создания сложной структуры с множеством углублений и выступов. В эти структуры были внедрены нанокластеры никеля и железа размером менее 5 нанометров, которые формируют положительный и отрицательный электроды. Затем эти молекулы соединили с двумерным графеном — ультратонким слоем из атомов углерода и кислорода. Получившаяся структура, напоминающая аэрогель, была достигнута путем удаления кислорода перегревом смеси в воде с последующим обжигом белков до углерода. Этот метод позволил достичь максимально возможной площади поверхности электрода.

«Люди часто считают современные нанотехнологические инструменты сложными и высокотехнологичными, но наш подход удивительно прост и понятен. Мы просто смешиваем обычные ингредиенты, применяем щадящие методы нагрева и используем широко доступные сырьевые материалы», — комментирует соавтор исследования Махер Эль-Кади.

Рекордная долговечность и мгновенная мощность

Благодаря наноструктурированию и, как следствие, тому, что «фактически каждый атом может участвовать в реакции», значительно ускорился процесс зарядки и разрядки аккумулятора. Начальные испытания показали, что прототип способен заряжаться за считанные секунды. Кроме того, демонстрируется поразительная выносливость: устройство выдержало более 12 000 циклов зарядки-разрядки, что эквивалентно более чем 30 годам ежедневного использования.

Несмотря на эти впечатляющие показатели долговечности и скорости, разработчики признают, что плотность энергии нового аккумулятора пока уступает современным литий-ионным аналогам. Это смещает акцент его применения.

Перспективы применения: стационарное хранение

В связи с более низкой плотностью энергии, текущая версия батареи менее подходит для питания электромобилей, но идеально вписывается в нишу стационарного хранения энергии. Потенциальные области применения включают стабилизацию сетей, питаемых от солнечных и ветровых электростанций, а также в качестве надежного резервного источника питания для центров обработки данных.

В настоящее время научная группа изучает возможность замены бычьих белков на другие природные полимеры для упрощения и удешевления потенциального массового производства. Эта работа подтверждает тренд на создание более долговечных и безопасных накопителей энергии, даже если они не достигнут пиковых показателей удельной емкости, характерных для литий-ионных технологий.