Согнуть мобильный телефон в любом месте, увеличить полезное пространство в космических аппаратах или отправить на исследование организма сверхмалый биомеханический имплант? Всё это в ближайшем будущем ожидает человечество благодаря новой технологии производства элементов питания.
Вследствие использования в структуре разработанной батареи супертонких электродов, её можно будет создавать посредством обычной печати на струйном принтере, применяя специализированную краску (чернила), в состав которых входят оксиды металлов и углеродная добавка с токопроводящими свойствами. Рабочий прототип планируют запустить в серийное производство уже через 3 года.
Размер имеет значение
С появлением компактных источников питания, в частности, Li-Ion батарей, стали развиваться мобильные технологии — возросло время использования без подзарядки, а также уменьшилась толщина и снизился вес разнообразных гаджетов — от телефона до ноутбука. Но к настоящему моменту дальнейший рост энергоёмкости невозможен без увеличения размера АКБ, так как использующиеся принципы работы энергоносителя не позволяют сделать его миниатюрным без потери мощности. И серьёзным препятствием здесь выступает проблема создания супертонких электродов, которые, как известно, являются основным элементом аккумулятора.
По словам Дениса Колчанова, сотрудника лаборатории SCAMT (Solution Chemistry of Advanced Materials and Technologies), действующей под эгидой Санкт-Петербургского НИУ информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) и занимающейся новаторскими вопросами уникальных химических разработок, минимальный размер современных электродов составляет 100 микрометров. Однако специалисты опытно-исследовательского центра смогли сократить его до 5 мкм или 0.005 мм. Структура новой батареи будет представлять собой сотни сменяющих друг друга слоёв электродов. Между слоями — электролит. Однако стоит отметить, что при 5-кратном снижении толщины АКБ, её средняя энергоёмкость останется на прежнем уровне.
Если оставить размеры аккумулятора такими, как есть, то в десятки раз возрастёт его удельная производительность.
Как говорят специалисты, подобной эффективности и запредельных показателей ёмкости удалось достичь благодаря созданному наноматериалу для струйной печати. Вещество в своём составе имеет MnO2, NiO2, CoO2, а также повышенную концентрацию Li — получаются специфичные электропроводящие чернила.
Не соберём, а напечатаем
Денис Колчанов также разъяснил и принцип создания сверхтонких батарей. Он заключается в следующем: суспензия, содержащая упомянутые выше микрочастицы (размер — 400 нм), заправляется в картридж струйного принтера. Затем аппарат «рисует» узкие и тонкие полосы, превращающиеся при высыхании в электроды. Большой плюс такого метода — минимизированный расход красящего вещества, а это имеет огромное значение при расчёте экономических показателей АКБ.
Подобные технологии в перспективе могут найти применение и в производстве электролита. Соответственно, итогом станет то, что несколько элементов питания можно будет объединить в один — гибкий, пластичный и с повышенной энергоёмкостью.
Будущее
По прогнозам учёных, «гуттаперчевый» аккумулятор найдёт своё место в мобильных устройствах нового поколения. Вкупе с пластичным экраном появится возможность сгибать гаджет в любом месте, а не в строго определённом, как в некоторых, уже существующих, гибких решениях от известных флагманов.
Ввиду высокой компактности, АКБ также применима в медицинских целях — биомеханические импланты различного назначения. И главное, такой энергоноситель станет незаменимым при проектировании космических аппаратов, где каждый свободный сантиметр пространства на вес золота.
Но не всё так гладко, как может показаться на первый взгляд. Существенный недостаток пластичного элемента питания — цена.
По предварительным расчётам стоимость представленного аккумулятора будет в несколько раз больше, чем обыкновенной Li-Ion батареи. Это объясняется тем, что технология неразвита — отсутствует необходимый объём производства материалов. В будущем, конечно, эту проблему удастся решить и АКБ станут стоить одинаково.
Жизнеспособность новой разработки подтверждается независимыми экспертизами, заключения которых указывают на то, что сверхтонкий электрод будет устойчив к сгибанию. К тому же он без проблем наносится на геометрически сложные поверхности. А это, в свою очередь, открывает двери к более продвинутым инженерным технологиям и оригинальным решениям. Как пример — источник питания прямо на поверхности процессора.
Итог
В проектировании АКБ задействованы специалисты из Санкт-Петербургского политехнического образовательного учреждения им. Петра Великого, Национального исследовательского университета и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе. До создания полностью рабочего образца ещё предстоит пройти множество этапов — найти оптимальное токопроводящее вещество, доработать концепцию, просчитать возможные риски и множество других факторов, способных в той или иной степени повлиять на распространение новой технологии.
