В лаборатории Университета Райса (США) сконструировано устройство накопления энергии, которое имеет минимально возможные размеры.

Проект создания миниатюрного электрохимического устройства стартовал несколько лет назад. В декабре прошлого года его участники представили первый рабочий образец литий-ионного аккумулятора, у которого никель-оловянный анод и электролит, выполненный из полиметилметакрилата, компоновались в виде нанопровода. При изготовлении такого аккумулятора нанопровода из Ni-Sn выращивались с помощью электроосаждения в специальной пористой матрице из оксида алюминия, после чего диаметр пор увеличивали, обрабатывая их гидроксидом натрия. В появлявшиеся между оксидом алюминия и нанопроводами зазоры проникал полиметилметакрилат, создавая ровную и плотную оболочку.

Анод и электролит, таким образом, упаковывались вместе, но катод не был интегрирован в наноструктуру. Учёные нашли решение этой проблемы, и в новом варианте устройства катод также становится одним из элементов составного нанопровода.

Рис. 1. Схема массива наноразмерных устройств накопления энергии (иллюстрация Ajayan Lab / Rice University).

За прошедшее с начала декабря время методика практически не изменилась: всё начиналось с матрицы из оксида алюминия с порами диаметром 200 нм, выращивания никель-оловянных нанопроводов и расширения пор. Однако роль электролита и разделителя играл уже не полиметилметакрилат, а полиэтиленоксид (PEO); свободное пространство, оставшееся в порах после нанесения этого слоя, занимала «катодная» смесь полианилина, поливинилденфторида и технического углерода, приготовленная в диметилформамиде. Затем массив нанопроводов, сочетавших в себе анод, электролит и катод, высушивался, покрывался 200-нанометровым слоем алюминия (токосборника), и всю матрицу обрабатывали раствором гексафторфосфата лития LiPF₆, чтобы дать возможность ионам лития занять свои места в слое РЕО.

Высота готовой «батареи» наноразмерных устройств составляла около 50 мкм. В опытах массивы продемонстрировали обратимую ёмкость в ~3 мкА•ч/см² при токе в 0,03 мА/см²; к сожалению, их характеристики ухудшались уже после нескольких циклов заряда и разряда. В ближайшие месяцы авторы будут оптимизировать технологию, варьируя геометрические параметры устройств — к примеру, длину электродов и толщину полимерного разделителя.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan and Pulickel M. Ajayan Building Energy Storage Device on a Single Nanowire. – Nano Lett., DOI: 10.1021/nl2017042;Publication Date (Web): July 14, 2011.