Вчені з UCLA вдосконалили винахід Едісона: акумулятор заряджається за секунди і витримує 30 років

Науковці з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) успішно реалізували ідею, над якою безуспішно працював легендарний винахідник Томас Едісон понад сто років тому. Вони створили функціональний залізо-нікелевий акумулятор, який заряджається за лічені секунди і здатний витримати понад 12 000 циклів зарядки-розрядки.

• Чому "покоління смартфонів" обирає свідомі обмеження та "повільні" гаджети

Деталі

На початку 1900-х років Томас Едісон намагався створити універсальний залізо-нікелевий акумулятор для електромобілів. Його початкова конструкція використовувала залізні та нікелеві сітки як анод і катод, занурені в електроліт на основі гідроксиду калію.

Однак технологія виявилася проблемною. За даними видання Nuts & Volts, батарея становила реальну небезпеку, оскільки виділяла водень під час заряджання. Крім того, конструкція була занадто громіздкою для практичного використання в автомобілях. Едісон так і не зміг подолати ці технічні обмеження.

Сучасні науковці з UCLA вирішили повернутися до цієї ідеї, але вже з інструментами XXI століття — нанотехнологіями та біоінженерією.

Натхнення з природи: як тварини допомогли створити батарею

Дослідники обрали незвичайний підхід до розробки. Вони надихалися природними процесами — зокрема, тим, як тварини формують кістки, а молюски створюють міцні мушлі.

У природі скелет формується завдяки скоординованій роботі білків, які допомагають організму накопичувати сполуки на основі кальцію. Правильний розподіл мінералів створює структури, які одночасно міцні та гнучкі.

"Правильний розподіл мінералів формує міцні, але при цьому досить гнучкі кістки. Спосіб укладання майже так само важливий, як і матеріал, що використовується, і білки визначають, як саме вони розташовуються," — пояснює співавтор дослідження та біохімік Рік Канер.

Саме цей принцип вчені вирішили застосувати при створенні акумулятора.

Рецепт революційної батареї: нанокластери у білках з яловичини

Науковці представили нанокластер з нікелю та заліза, упакований у молекулярні побічні продукти виробництва яловичини. Так, ви не ослухалися — основою стали білки, отримані як побічний продукт м'ясної промисловості.

Акумулятор складається зі згорнутих білків з великою кількістю заглиблень та виступів. У ці природні "кишені" дослідники додали кластери нікелю та заліза розміром менше 5 нанометрів, які відповідають позитивному та негативному електродам.

Ці молекули з'єднали з ультратонким шаром з атомів вуглецю та кисню — двовимірним графеном, який є одним із найміцніших та найпровіднішим матеріалів у світі.

Процес створення: простіше, ніж здається

Технологія виробництва виявилася на диво простою, незважаючи на складність кінцевого продукту:

1. Перегрів суміші у воді видаляв кисень
2. Випалювання перетворювало білки на вуглець
3. Інтеграція металевих кластерів створювала структуру, подібну до аерогелю

Така структура максимально збільшує площу поверхні електрода. Це критично важливо для продуктивності батареї.

"Люди часто вважають сучасні нанотехнологічні інструменти складними та високотехнологічними, але наш підхід напрочуд простий і зрозумілий. Ми просто змішуємо звичайні інгредієнти, застосовуємо щадні методи нагрівання та використовуємо широко доступні сировинні матеріали," — зазначає біохімік та співавтор дослідження Махер Ель-Каді.

Секрет швидкої зарядки полягає в тому, що створена структура дозволяє максимально використовувати кожен атом металу. За словами Ель-Каді, фактично кожен атом може брати участь у хімічній реакції, що значно прискорює процес заряджання та розряджання акумулятора.

У традиційних батареях велика частина матеріалу "прихована" всередині і не бере участі в реакції. Тут же аерогелева структура робить доступним практично весь об'єм активного матеріалу.

Результати випробувань: 30 років щоденної роботи

Початкові тести показали вражаючі результати:

• Швидкість зарядки: лічені секунди
• Кількість циклів: понад 12 000 циклів заряджання-розряджання
• Еквівалент використання: більше 30 років щоденної зарядки

Це означає, що такий акумулятор може пережити практично будь-який пристрій, в якому він встановлений. Для порівняння, сучасні літій-іонні батареї зазвичай витримують 500-1000 циклів, після чого їхня ємність починає значно знижуватися.

Обмеження: не для електромобілів

Розробники чесно визнають головне обмеження свого прототипу — за ємністю він значно поступається сучасним літій-іонним акумуляторам. Тому для електромобілів, де важлива енергоємність, ця технологія не підходить.

Однак вона ідеальна для інших застосувань:

• Збереження енергії сонячних електростанцій — можна зберігати надлишкову енергію, вироблену вдень, для використання вночі. Це особливо актуально для України, де розвивається приватна сонячна генерація на тлі проблем із централізованим постачанням електроенергії.
• Резервне живлення для центрів обробки даних — де потрібна висока надійність, довговічність і здатність швидко віддавати енергію.
• Системи безперебійного живлення — для критичної інфраструктури, лікарень, комунікаційних вузлів.
• Стабілізація енергосистеми — для згладжування піків навантаження в електромережах.

Потенціал для України

Для України ця технологія може мати особливе значення. На тлі регулярних відключень електроенергії та активного розвитку альтернативної енергетики, можливість ефективно зберігати енергію від сонячних панелей стає критично важливою.

Акумулятор, який заряджається за секунди, витримує десятиліття експлуатації і може працювати як накопичувач для домашніх сонячних електростанцій або резервне джерело живлення — це те, що потрібно країні в умовах енергетичної кризи.

Якщо технологію вдасться масштабувати та зробити комерційно доступною, вона може стати справжнім проривом у галузі збереження енергії. Едісон мріяв про універсальний акумулятор для електромобілів, але його ідея може знайти застосування в ще важливішій сфері — забезпеченні енергетичної незалежності та стійкості енергосистем.

Поки світова наука працює над енергетичною стійкістю, цифрові гіганти відкривають нові горизонти для творчості. Зокрема, компанія Meta зробила важливий крок назустріч українській digital-спільноті. Відтепер у Facebook повноцінно запрацювала Content Monetization Program. Цей набір інструментів дозволяє українським блогерам та кріейторам отримувати фінансову винагороду за свою працю, причому програма доступна не лише для медіагігантів, а й для авторів із невеликою, але лояльною аудиторією.

Читайте ще:

• Боротьба з дофаміновою пасткою: Євросоюз висунув жорсткі вимоги до TikTok щодо видалення функцій, які провокують цифрову залежність у підлітків.
• Самотні океани: Астробіологи пояснили, чому наявність рідкої води на екзопланеті ще не означає можливість виникнення життя.
• Таємниця стародавніх майстрів: Артефакт, знайдений у Кембриджі, переглянув історію техніки — люди використовували складні механічні бури на тисячі років раніше, ніж вважалося.