Исследователи из Клемсонского университета (штат Южная Каролина) разработали технологию, которая позволит создавать более легкие и быстрозаряжаемые элементы питания для марсианских исследовательских аппаратов и спутников. Статья о разработке опубликована в издании ACS Applied Materials & Interfaces.
Вес батареи — важная характеристика, когда речь идет о космических исследованиях. «Большинство аппаратов в основном получают энергию от солнца, — говорит один из авторов работы Рамакришна Подила. — Но спутники должны иметь возможность накапливать энергию до тех пор, пока они находятся в тени, отбрасываемой Землей. Мы должны сделать батареи как можно более легкими, потому что чем больше весит спутник, тем дороже обойдется его миссия».
Чтобы понять, чего добились ученые, можно представить графитовый анод в литий-ионной батарее как колоду карт, где каждая карта — это слой графита, используемый для хранения заряда. Главная проблема здесь заключается в том, что графит не слишком емок и не может хранить достаточно большой заряд. Исследователи решили исправить это, выбрав другой материал для анода — кремний.
Кремний обладает более высокой электроемкостью, однако при заряде и разряде распадается на мелкие частицы. Чтобы обойти это препятствие, команда ученых использовала кремниевые наночастицы, которые повышают стабильность устройства и обеспечивают более длительный срок службы.
Таким образом, в новой технологии вместо графитовой «колоды карт» используются углеродные нанотрубки, между которыми расположены кремниевые прослойки. «Эти нанотрубки образуют квазитрехмерную структуру, удерживают кремниевые наночастицы вместе даже после 500 циклов и снижают электрическое сопротивление, возникающее в результате разрушения наночастиц», — объясняет соавтор работы Шайлендра Чилувал.
Использование элементов питания из кремния и других наноматериалов не только увеличивает емкость, но и позволяет заряжать аккумуляторы более мощным током, что приводит к сокращению времени зарядки. Новая конструкция позволяет заряжать батареи вчетверо быстрее, чем это возможно для существующих аналогов.
Новая технология создавалась при финансовой поддержке NASA и предназначена в первую очередь для космических исследований с прицелом на изучение Марса. Усовершенствованные элементы питания можно использовать в спутниках, марсоходах и скафандрах. Кроме того, в будущем такую технологию можно будет применять и на Земле — например, в электромобилях.
Ранее мы писали о сверхдолговечных батареях из ядерных отходов, которые анонсировала американская компания NDB, а также о новом гибридном устройстве, которое способно не только улавливать, но и хранить солнечную энергию.