Учёные из UCLA усовершенствовали изобретение Эдисона: аккумулятор заряжается за секунды

Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) успешно реализовали идею, над которой безуспешно работал легендарный изобретатель Томас Эдисон более ста лет назад. Они создали функциональный железо-никелевый аккумулятор, который заряжается за считанные секунды и способен выдержать более 12 000 циклов зарядки-разрядки.

• Почему "поколение смартфонов" выбирает осознанные ограничения и "медленные" гаджеты

Детали

В начале 1900-х годов Томас Эдисон пытался создать универсальный железо-никелевый аккумулятор для электромобилей. Его первоначальная конструкция использовала железные и никелевые сетки в качестве анода и катода, погружённые в электролит на основе гидроксида калия.

Однако технология оказалась проблемной. По данным издания Nuts & Volts, батарея представляла реальную опасность, так как выделяла водород во время зарядки. Кроме того, конструкция была слишком громоздкой для практического использования в автомобилях. Эдисон так и не смог преодолеть эти технические ограничения.

Современные учёные из UCLA решили вернуться к этой идее, но уже с инструментами XXI века — нанотехнологиями и биоинженерией.

Вдохновение из природы: как животные помогли создать батарею

Исследователи выбрали необычный подход к разработке. Они вдохновлялись природными процессами — в частности, тем, как животные формируют кости, а моллюски создают прочные раковины.

В природе скелет формируется благодаря скоординированной работе белков, которые помогают организму накапливать соединения на основе кальция. Правильное распределение минералов создаёт структуры, которые одновременно прочные и гибкие.

"Правильное распределение минералов формирует прочные, но при этом достаточно гибкие кости. Способ укладки почти так же важен, как и материал, который используется, и белки определяют, как именно они располагаются," — объясняет соавтор исследования и биохимик Рик Канер.

Именно этот принцип учёные решили применить при создании аккумулятора.

Рецепт революционной батареи: нанокластеры в белках из говядины

Учёные представили нанокластер из никеля и железа, упакованный в молекулярные побочные продукты производства говядины. Да, вы не ослышались — основой стали белки, полученные как побочный продукт мясной промышленности.

Аккумулятор состоит из скрученных белков с большим количеством углублений и выступов. В эти природные "карманы" исследователи добавили кластеры никеля и железа размером менее 5 нанометров, которые соответствуют положительному и отрицательному электродам.

Эти молекулы соединили с ультратонким слоем из атомов углерода и кислорода — двумерным графеном, который является одним из самых прочных и проводящих материалов в мире.

Процесс создания: проще, чем кажется

Технология производства оказалась удивительно простой, несмотря на сложность конечного продукта:

1. Перегрев смеси в воде удалял кислород
2. Обжиг превращал белки в углерод
3. Интеграция металлических кластеров создавала структуру, похожую на аэрогель

Такая структура максимально увеличивает площадь поверхности электрода. Это критически важно для производительности батареи.

"Люди часто считают современные нанотехнологические инструменты сложными и высокотехнологичными, но наш подход удивительно прост и понятен. Мы просто смешиваем обычные ингредиенты, применяем щадящие методы нагревания и используем широко доступные сырьевые материалы," — отмечает биохимик и соавтор исследования Махер Эль-Кади.

Секрет быстрой зарядки заключается в том, что созданная структура позволяет максимально использовать каждый атом металла. По словам Эль-Кади, фактически каждый атом может участвовать в химической реакции, что значительно ускоряет процесс зарядки и разрядки аккумулятора.

В традиционных батареях большая часть материала "скрыта" внутри и не участвует в реакции. Здесь же аэрогелевая структура делает доступным практически весь объём активного материала.

Результаты испытаний: 30 лет ежедневной работы

Начальные тесты показали впечатляющие результаты:

• Скорость зарядки: считанные секунды
• Количество циклов: более 12 000 циклов зарядки-разрядки
• Эквивалент использования: более 30 лет ежедневной зарядки

Это означает, что такой аккумулятор может пережить практически любое устройство, в котором он установлен. Для сравнения, современные литий-ионные батареи обычно выдерживают 500–1000 циклов, после чего их ёмкость начинает заметно снижаться.

Ограничения: не для электромобилей

Разработчики честно признают главное ограничение своего прототипа — по ёмкости он значительно уступает современным литий-ионным аккумуляторам. Поэтому для электромобилей, где важна энергоёмкость, эта технология не подходит.

Однако она идеальна для других применений:

• Сохранение энергии солнечных электростанций — можно накапливать избыточную энергию, произведённую днём, для использования ночью. Это особенно актуально для Украины, где развивается частная солнечная генерация на фоне проблем с централизованным электроснабжением.
• Резервное питание для дата-центров — где требуется высокая надёжность, долговечность и способность быстро отдавать энергию.
• Системы бесперебойного питания — для критической инфраструктуры, больниц, коммуникационных узлов.
• Стабилизация энергосистемы — для сглаживания пиковых нагрузок в электросетях.

Потенциал для Украины

Для Украины эта технология может иметь особое значение. На фоне регулярных отключений электроэнергии и активного развития альтернативной энергетики возможность эффективно накапливать энергию от солнечных панелей становится критически важной.

Аккумулятор, который заряжается за секунды, выдерживает десятилетия эксплуатации и может работать как накопитель для домашних солнечных электростанций или резервный источник питания — это то, что нужно стране в условиях энергетического кризиса.

Если технологию удастся масштабировать и сделать коммерчески доступной, она может стать настоящим прорывом в сфере хранения энергии. Эдисон мечтал об универсальном аккумуляторе для электромобилей, но его идея может найти применение в ещё более важной сфере — обеспечении энергетической независимости и устойчивости энергосистем.

Пока мировая наука работает над энергетической устойчивостью, цифровые гиганты открывают новые горизонты для творчества. В частности, компания Meta совершила важный шаг навстречу украинскому digital-сообществу. Теперь в Facebook полноценно заработала Content Monetization Program. Этот набор инструментов позволяет украинским блогерам и креаторам получать финансовое вознаграждение за свой труд, причём программа доступна не только для медиагигантов, но и для авторов с небольшой, но лояльной аудиторией.

Читайте также:

• Борьба с дофаминовой ловушкой: Евросоюз выдвинул жёсткие требования к TikTok по удалению функций, провоцирующих цифровую зависимость у подростков.
• Одинокие океаны: Астробиологи объяснили, почему наличие жидкой воды на экзопланете ещё не означает возможность возникновения жизни.
• Тайна древних мастеров: Артефакт, найденный в Кембридже, пересмотрел историю техники — люди использовали сложные механические буры на тысячи лет раньше, чем считалось.