Не Дюраселлом единым
Российское государство обратило внимание на наноионику.
Около 10 проектов в области разработки химических источников тока (батареек и аккумуляторов) с использованием наночастиц выполняется в рамках Федеральной Целевой Программы по критическим технологиям развития РФ.
Новые, «умные», поколения химических источников тока основаны на особых свойствах ультрадисперсных частиц, которые в существеннейшей степени отличаются от свойств объемного тела. Причина такого различия кроется не только в доступности поверхности и облегчении диффузионных потоков частиц, и изменении концентрации дефектов, но, что самое главное, – в разнообразных «размерных эффектах», которые связаны с тем, что размер частицы становится меньше некоторой критической величины, сопоставимой с так называемым радиусом взаимодействия, характерным для того или иного физического явления. В результате возникают новые закономерности, что проявляется в уникальном физико-химическом и электрохимическом поведении наноматериалов.
Разработкой химических источников тока – наноионикой – сейчас активно занимаются во всем мире не только в университетах, но и фирмах и компаниях. Это связано с тем, что все более востребованными становятся надежные, долговечные, безопасные и дешевые химические источники тока для многочисленных устройств микроэлектроники, таких как сотовые телефоны, карманные компьютеры, кардиостимуляторы, устройства «двойного назначения». Мировой рынок таких продуктов превысил в 2006 г. 50 млрд. долларов и чрезвычайно перспективен с точки зрения привлечения инвестиций.
За счет изменения дисперсности самый дешевый и самый известный (еще с 1867 г.!) марганец-цинковый элемент француза Жоржа Лекланше “Zn-MnO2” получил вторую жизнь в виде всемирно разрекламированной щелочной батарейки Дюраселл. В настоящее время в мире сделано большое количество экспериментов, позволяющих получить известный всем диоксид марганца в виде наночастиц, нанопластин, наноусов и даже нанотрубок. Такие материалы с интеркалированным литием работают в батарейках дольше, лучше и значительно быстрее перезаряжаются в аккумуляторах. Так, подобный литий-ионный аккумулятор фирмы Toshiba способен зарядиться на 80% за 60 секунд!. Обычным коммерческим литий-ионным аккумуляторам для зарядки требуется от одного до десяти часов. Аккумуляторы с наночастицами теряют только 1% емкости после 1000 циклов зарядка-разрядка, они могут работать при температуре -40°C. При 45°C срок службы начинает сокращаться, но при этом теряется лишь 5% свойств после тысячного цикла. Прототип Toshiba 600 mAh разрабатывался с учетом применения с компактными устройствами – его размеры всего 6.2 x 3.5 x 0.4 см.
Новые литиевые аккумуляторы NanoSafe помимо прочего отличаются новым материалом для отрицательного электрода, использующего наночастицы титановых бронз. Это позволило существенно повысить срок жизни аккумуляторов. После 15 тысяч циклов глубокого разряда и полной зарядки их ёмкость сохранялась на уровне 85% от первоначального значения. Обычные же литий-ионные и литий-полимерные батареи имеют жизненный цикл примерно в 300-500 полных циклов заряда и разряда. Если представить, что батареи NanoSafe появятся на мобильных телефонах, при их зарядке один раз в три дня аккумулятор проработает 123 года.
Круг материалов-кандидатов на использование в наноионике все время расширяется. Один из таких кандидатов – материал состава LiFePO4 со структурой минерала оливина, использование которого, как считают некоторые разработчики, увеличит срок службы аккумуляторов в 10 раз, мощность при этом возрастет в 5 раз, значительно уменьшится время заряда (более 90% емкости через 5 минут). Ожидается, что новинка будет применяться в различных устройствах, включая электроинструменты, медицинские приборы и гибридные электромобили.
Другие перспективные системы, как считают, ученые-материаловеды, - это «вискеры» с туннельной структурой, ванадиевые бронзы, микропористые системы оксидов переходных металлов, наноструктурированный диоксид титана, углеродные нанотрубки.
Один из недавно поддержанных проектов Федеральной Целевой Программой по критическим технологиям развития РФ – совместный проект по наноионике Института Физической Химии и Электрохимии РАН и Факультета Наук о Материалах МГУ им. М.В. Ломоносова. В рамках проекта предполагается разработка новых методов получения нанокристаллических и наноструктурированных систем, разработка научных основ технологий получения гаммы расходных материалов для микропечатной электроники и компьютерного дизайна интегрированных устройств наноионики, создание новых типов энергоемких, высокоэффективных и безопасных портативных источников тока и интегрированных устройств наноионики для преобразования и хранения энергии.
8 апреля 2007
