Природний матеріал з водоростей дозволить використовувати в акумуляторах кремнієві електроди, у десять разів більш ефективні, ніж сучасні графітові. Це наблизить нас до ери «зелених» електрокарів і батарейок тривалого періоду роботи.

Сьогодні, у вік синтетичних матеріалів, волокон, ліків, усе ще виявляється корисним звернути увагу на приклади природних сполук, які за своїми властивостями та якостями можуть перевершувати найкращі штучно синтезовані речовини. Вчені пропонують замінити синтетичний полімер, використовуваний в якості сполучного в акумуляторах, природним - досить розповсюдженим компонентом водоростей. Вони припускають, що така заміна дозволить не тільки підвищити ефективність роботи використовуваних сьогодні всюди- від автомобілів до мобільних телефонів - літієвих батарей, але й прискорити практичне впровадження нових високоефективних акумуляторів на кремнієвих електродах.

Полісахарид альгінат, що міститься в бурих водоростях, не тільки покращує характеристики акумуляторів, але й значно знижує токсичність їхнього виробництва, говориться у дослідженні, опублікованому в журналі Science. Автори роботи Гліб Юшин та Ігор Лузінов працюють зараз у Технологічному інституті штату Джорджія та Університеті Клемсона (США).

«Створення більш дешевих акумуляторів із більшою ємністю та більшим часом роботи могло би вплинути на суспільство у майбутньому. Технологія з використанням альгінату, яку ми пропонуємо, може стати цеглинкою в будинку більш енергоефективної економіки, де будуть широко використовуватися електрокари, а мобільні телефони та ноутбуки будуть працювати без підзарядки набагато довше. Вони також стануть набагато безпечнішими для навколишнього середовища», - сказав Юшин, слова якого наводить прес-служба Університету Клемсона.

Компонент, який вчені пропонують модернізувати, грає дуже важливу роль у функціонуванні акумулятора. Стандартна сучасна батарейка складається із двох електродів - катоду та аноду, зв'язаних між собою рідким електролітом, по якому можуть пересуватися іони, і зв'язувальною речовиною, яка повинна запобігати порушенню контакту між частинками активної речовини, яка покращує характеристики акумулятора. Кремнієві аноди у перспективі пропонують набагато більшу (приблизно у десять разів) ємність акумулятора, однак із сучасним сполучним матеріалом вони недостатньо стабільні для реального використання. Крім того, типовий сполучний матеріал - фторопласт полівініліденфторид - виробляється з використанням токсичного розчинника.

«Ми намагалися знайти придатний матеріал у природних системах, які живуть у подібних умовах, тому ми вибрали водяні рослини, які існують у дуже солоних середовищах (солона вода, по суті, сама є електролітом, що містить велику кількість іонів).

Електроди занурені в рідкий електроліт, тому рослини, що існують в агресивному середовищі солоної води, здалися нам ідеальними кандидатами для виробництва природного сполучного матеріалу», - пояснив Лузінов.

Альгінати – недорогі матеріали, які вже використовуються у харчовій промисловості, фармакології та стоматології як згущувачі та стабілізатори. Добувають їх зі звичайної ламінарії, у якій вміст альгінової кислоти коливається від 15% до 30%. Виділяти з водоростей (відразу у вигляді солей) її можна за допомогою звичайної соди, тому така технологія буде дуже «зеленою», нешкідливою для навколишнього середовища.

Фізичні властивості альгінатів ідеально підходять для збирання наночастинок кремнію або графіту в електрод.

Більше того, для їхнього впровадження не потрібно значної зміни виробничого процесу або самих батарей - виробництво альгінату можна інтегрувати в існуючий сьогодні технологічний процес.

Найбільш корисна властивість альгінату – його висока в'язкість та еластичність. Під час роботи батареї на поверхні аноду утвориться тверда «скоринка», через яку легко проходять іони літію, але не рідкий електроліт. Об'єм наночастинок графіту постійний, тому ця тверда поверхня не зазнає змін під час роботи та виконує свою функцію. Однак об'єм наночастинок кремнію, перспективного електродного матеріалу, змінюється в ході роботи електроліту, і при використанні сучасного сполучного матеріалу поверхня тріскається, електроліт проникає у пори, закупорює їх, і акумулятор виходить із ладу.

Альгінат надійно цементує наночастинки кремнію та стабілізує поверхню поділу, запобігаючи розкладанню матеріалу.

Дослідний зразок акумулятора на кремнії та альгінаті показав у вісім разів більш високу ємність, ніж сучасні літієві батарейки, і залишався стабільним протягом 1000 циклів зарядки-розрядки.

За матеріалами: gazeta.ru