Нанотехнологии могут существенно ускорить приход топливных элементов
Растущая потребность в компактных и емких источниках энергии для портативных устройств побуждает исследователей интенсифицировать поиск новых решений: серди перспективных кандидатов на роль "батарейки будущего" заметное место занимают топливные элементы.
По энергоемкости они уже сейчас на порядок превышают лучшие образцы традиционных батарей. Если ионно-литиевая батарея обеспечивает 300 Вт*ч в пересчете на литр объема, топливный элемент с использованием метанола теоретически может "выдать" 4800 Вт*ч в пересчете на литр объема! Говоря простым языком, это означает, что ноутбуки с новыми батареями могли бы сутками работать без подзарядки, а время автономной работы сотового телефона превысило бы месяц. Вот почему ведущие компании отрасли, такие, как Toshiba, IBM и NEC ведут исследования в области топливных элементов.
В общих чертах принцип работы топливного элемента заключается в том, что из химического источника извлекаются атомы водорода, которые при взаимодействии с катализатором (например, платиной) отдают электроны (генерируется ток, необходимый для питания электроники). Ионы водорода, получившиеся в результате процесса, отделяются от топлива при помощи электролита и образуют молекулы воды, вступая в реакцию с атмосферным кислородом. Очевидно, что чем больше топлива удается привести в контакт с катализатором, тем больше ток, генерируемый элементом. Итак, поверхность катализатора - ключ к эффективности батареи.
До настоящего момента для увеличения площади поверхности были опробованы методы, позаимствованные из полупроводникового производства, такие, как травление или испарение слоев материала. К сожалению, такой подход оказался не только дорогостоящим, но и ограниченным по результативности.
Исследователи из университета штата Висконсин решили применить новый подход. В результате, им удалось не только повысить КПД элементов, но и полностью отойти от потребности в сложных и дорогих технологиях.
В роли материала для топливных каналов был использован фильтр из пористой окиси алюминия стоимостью менее 100 долларов. Фильтр изрешечен замечательными цилиндрическими отверстиями диаметром всего лишь 200 нм, и используется в лабораториях, как шаблон для выращивания нанопроводников. Ученые создали в фильтре нанопроводники из сплава платины и меди, а затем растворили медь, пропитав фильтр азотной кислотой. Теперь, вместо сплошных нанопроводников, каждое отверстие фильтра оказалось заполнено пористым платиновым электродом. Частично растворившиеся проводники имеют очень сложную структуру и огромную площадь поверхности.
Для построения топливного элемента осталось заполнить поры раствором NaBH4. Листок электролитической фильтрующей бумаги был помещен между массивами нанотрубок, чтобы обеспечить отток ионов водорода. Для подвода электродов подходит любой участок внешней поверхности "бутерброда", что упрощает подключение полученного источника питания. Элементы можно соединять параллельно и последовательно, наращивая ток и напряжение батареи, соответственно.
Находясь еще на стадии прототипа, новый элемент по эффективности превзошел топливные элементы, изготовленные с помощью литографических технологий, на порядок величины! При этом он оказался дешевле их в изготовлении. Несмотря на впечатляющий результат, разработчики считают, что остается место для усовершенствования, поскольку, по их собственной оценке, в батарее активно всего лишь около трети сформированных из сплава электродов.
Источник: PhysOrg.com
По энергоемкости они уже сейчас на порядок превышают лучшие образцы традиционных батарей. Если ионно-литиевая батарея обеспечивает 300 Вт*ч в пересчете на литр объема, топливный элемент с использованием метанола теоретически может "выдать" 4800 Вт*ч в пересчете на литр объема! Говоря простым языком, это означает, что ноутбуки с новыми батареями могли бы сутками работать без подзарядки, а время автономной работы сотового телефона превысило бы месяц. Вот почему ведущие компании отрасли, такие, как Toshiba, IBM и NEC ведут исследования в области топливных элементов.
В общих чертах принцип работы топливного элемента заключается в том, что из химического источника извлекаются атомы водорода, которые при взаимодействии с катализатором (например, платиной) отдают электроны (генерируется ток, необходимый для питания электроники). Ионы водорода, получившиеся в результате процесса, отделяются от топлива при помощи электролита и образуют молекулы воды, вступая в реакцию с атмосферным кислородом. Очевидно, что чем больше топлива удается привести в контакт с катализатором, тем больше ток, генерируемый элементом. Итак, поверхность катализатора - ключ к эффективности батареи.
До настоящего момента для увеличения площади поверхности были опробованы методы, позаимствованные из полупроводникового производства, такие, как травление или испарение слоев материала. К сожалению, такой подход оказался не только дорогостоящим, но и ограниченным по результативности.
Исследователи из университета штата Висконсин решили применить новый подход. В результате, им удалось не только повысить КПД элементов, но и полностью отойти от потребности в сложных и дорогих технологиях.
В роли материала для топливных каналов был использован фильтр из пористой окиси алюминия стоимостью менее 100 долларов. Фильтр изрешечен замечательными цилиндрическими отверстиями диаметром всего лишь 200 нм, и используется в лабораториях, как шаблон для выращивания нанопроводников. Ученые создали в фильтре нанопроводники из сплава платины и меди, а затем растворили медь, пропитав фильтр азотной кислотой. Теперь, вместо сплошных нанопроводников, каждое отверстие фильтра оказалось заполнено пористым платиновым электродом. Частично растворившиеся проводники имеют очень сложную структуру и огромную площадь поверхности.
Для построения топливного элемента осталось заполнить поры раствором NaBH4. Листок электролитической фильтрующей бумаги был помещен между массивами нанотрубок, чтобы обеспечить отток ионов водорода. Для подвода электродов подходит любой участок внешней поверхности "бутерброда", что упрощает подключение полученного источника питания. Элементы можно соединять параллельно и последовательно, наращивая ток и напряжение батареи, соответственно.
Находясь еще на стадии прототипа, новый элемент по эффективности превзошел топливные элементы, изготовленные с помощью литографических технологий, на порядок величины! При этом он оказался дешевле их в изготовлении. Несмотря на впечатляющий результат, разработчики считают, что остается место для усовершенствования, поскольку, по их собственной оценке, в батарее активно всего лишь около трети сформированных из сплава электродов.
Источник: PhysOrg.com
Ещё новости по теме:
18:20