В Национальной лаборатории «Сандиа» (США) создана тестовая версия самой маленькой батареи в мире: её анод состоит из одного нанопровода, который в семь тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Для лучшего изучения характеристик такого анода перезаряжаемый литиевый аккумулятор был собран внутри просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) в Центре комплексных нанотехнологий Министерства энергетики, которым «Сандиа» управляет совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией.

По словам руководителя группы разработчиков Цзяньюя Хуана, эксперимент затеян ради исследования процессов зарядки и разрядки аккумулятора в режиме реального времени и в атомном масштабе в целях понимания фундаментальных принципов работы батарей. Последнее имеет большое практическое значение, ибо ионно-литиевые батареи на основе нанопроволоки предлагают новые возможности для повышения мощности и плотности энергии по сравнению с более объёмными электродами. Соответственно, более строгое изучение их операционных свойств должно привести к появлению новых поколений электромобилей, ноутбуков, мобильных телефонов и проч.

Рис. 1. Цзяньюй Хуан на фоне просвечивающего электронного микроскопа (фото CINT).

Наноматериалы уже активно используются в качестве анодов, но в массиве, а не индивидуально. По мнению г-на Хуана, это всё равно что, глядя на лес, пытаться понять особенности отдельных деревьев.

Уже упоминавшийся анод изготовлен из оксида олова. Его диаметр составляет 100 нм, а длина — 10 мкм. Катод в 3 мм длиной из оксида кобальта выглядит на его фоне чудовищем из другого мира. Конечно, не обошлось без электролита в виде ионной жидкости. Устройство позволяет непосредственно наблюдать изменения атомной структуры во время зарядки и разрядки отдельного «дерева».

Неожиданно выяснилось, что нановолокно из оксида олова почти удваивается в длину во время зарядки — гораздо больше, чем в диаметре (см. видео ниже). Этот факт поможет избежать короткого замыкания и продлить срок службы батареи. Ранее повсеместно считалось, что колебания испытывает в первую очередь диаметр.

Обнаружить этот эффект позволило наблюдение за тем, как ионы лития движутся вдоль нанопровода и создают то, что учёные окрестили «фронтом медузы», — область, где высокая плотность подвижных дислокаций заставляет нанопроволоку сгибаться и покачиваться по мере прохождения фронта. Сеть дислокаций вызывается проникновением лития в кристаллическую решётку. «Эти наблюдения доказывают, что нанопровода могут выдержать большое давление (>10 ГПа), вызываемое литированием, без прерывания тока. Иными словами, нанопроволока является очень хорошим кандидатом на роль электрода», — подчёркивает г-н Хуан.

Нанопроволока крутится и деформируется:

Вызываемое литированием увеличение объёма, а также деформация и измельчение электродных материалов входят в число основных механических дефектов, которые снижают производительность и срок службы анодов с большой ёмкостью.

Уровень электронного шума от системы измерений оказался слишком высок, чтобы можно было просчитать электрический ток, но соавтор исследования Джон Салливан оценивает его силу в пикоампер. Потенциал нанопроволоки при этом составлял около 3,5 в.

Понаблюдать за зарядкой и разрядкой одного нановолокна в атомном масштабе до сих пор никому не удавалось, потому что высокий вакуум в ПЭМ затрудняет использование жидкого электролита. Одним из достижений группы г-на Хуана стала демонстрация того, что ионная жидкость с низким давлением пара (по сути, расплавленная соль) может функционировать в вакууме.

Работа была проведена с использованием нанопроволоки из оксида олова, но г-н Хуан отмечает, что эксперимент может быть распространён на системы с другими материалами.

Результаты исследования опубликованы в статье:

Yet-Ming Chiang Building a Better Battery. – Science 10 December 2010: Vol. 330 no. 6010 pp. 1485–1486. DOI: 10.1126/science.1198591.