У Національній лабораторії «Сандія» (США) створена тестова версія найменшої батареї у світі: її анод складається всього з одного нановолокна, що у сім тисяч разів тонше  від людської волосини. Для кращого вивчення характеристик такого аноду літієвий акумулятор був зібраний всередині просвічуючого електронного мікроскопа (ПЕМ) у Центрі комплексних нанотехнологій Міністерства енергетики, яким «Сандія» керує разом із Лос-Аламоською національною лабораторією. 

За словами керівника групи розробників Цзяньюя Хуана, експеримент затіяний заради дослідження процесів зарядки й розрядки акумулятора в режимі реального часу та в атомному масштабі з метою розуміння фундаментальних принципів роботи батарей. Останнє має велике практичне значення, тому що іонно-літієві батареї на основі нановолокна пропонують нові можливості для підвищення потужності й щільності енергії в порівнянні з більш об'ємними електродами. Відповідно, більш детальне вивчення їхніх операційних властивостей повинне привести до появи нових поколінь електромобілів, ноутбуків, мобільних телефонів.

Наноматеріали вже активно використовуються як аноди, але в масиві, а не індивідуально. На думку пана  Хуана, це те саме що, дивлячись на ліс, намагатися зрозуміти особливості окремих дерев. 

Вже згадуваний анод виготовлений із оксиду олова. Його діаметр складає 100 нм, а довжина — 10 мкм. Катод в 3 мм довжиною з оксиду кобальту виглядає на його тлі чудовиськом з іншого світу. Звичайно, не обійшлося без електроліту у вигляді іонної рідини. Пристрій дозволяє безпосередньо спостерігати зміни атомної структури під час зарядки й розрядки окремого «дерева». 

Зненацька з'ясувалося, що нановолокно з оксиду олова майже подвоюється в довжину під час зарядки — набагато більше, ніж в діаметрі. Цей факт допоможе уникнути короткого замикання й продовжити термін служби батареї. Раніше вважалося, що коливання зазнає в першу чергу діаметр волокна. 

Виявити цей ефект дозволило спостереження за тим, як іони літію рухаються вздовж нановолокна й створюють те, що вчені охрестили «фронтом медузи», — область, де висока щільність рухливих дислокацій змушує нановолокно згинатися та погойдуватися в міру проходження фронту. Сітка дислокацій викликається проникненням літію в кристалічну ґратку. «Ці спостереження доводять, що нановолокна можуть витримати великий тиск (>10 ГПа), що викликається літіюванням, без переривання струму. Іншими словами, нановолокно є дуже хорошим кандидатом на роль електроду», - підкреслює пан Хуан.

Викликане літіюванням  збільшення об'єму, а також деформація та подрібнювання електродних матеріалів входять до числа основних механічних дефектів, які знижують продуктивність і термін служби анодів з великою ємністю. 

Рівень електронного шуму від системи вимірювань виявився занадто високим, щоб можна було прорахувати електричний струм, але співавтор дослідження Джон Саліван оцінює його силу в 1 пікоампер. Потенціал нановолокна при цьому становив близько 3,5 В. 

Поспостерігати за зарядженням та розрядженням одного нановолокна в атомному масштабі дотепер нікому не вдавалося, тому що високий вакуум у ПЕМ ускладнює використання рідкого електроліту. Одним із досягнень групи Хуана стала демонстрація того, що іонна рідина з низьким тиском пари (по суті, розплавлена сіль) може функціонувати у вакуумі. 

Робота була проведена з використанням нановолокна з оксиду олова, проте пан Хуан відзначає, що експеримент може бути повторений із системами з інших матеріалів.

За матеріалами: horoshienovosti.com.ua