На текущий момент хранение энергии – это вопрос компромиссов. Вы можете иметь много мощности (ватт), или много энергии (ватт-часов), но не того и другого одновременно. Суперконденсаторы могут отдавать огромные количества энергии, но только в течение нескольких секунд, топливные элементы могут запасать большие её количества, но ограничены в своей пиковой отдаче. И это является проблемой, поскольку большинство образцов современной передовой электроники – смартфоны, носимые компьютеры, электромобили – требуют больших объёмов и энергии и мощности. Литий-ионные батареи на текущий момент представляют собой лучшее соотношение этих параметров, но даже наиболее продвинутые литий-ионные батареи требуют от промышленных дизайнеров и инженеров серьёзных компромиссов при создании новых устройств.

И вот теперь у нас есть новая батарея из Университета Иллинойса, которая подобно суперконденсатору имеет высокую удельную мощность, и в то же время сравнимую с современными никель-цинковыми и литий-ионными батареями плотность энергии. По данным опубликованного университетом пресс-релиза, новая батарея позволяет беспроводным устройствам транслировать свой сигнал в 30 раз дальше – или, что возможно даже более полезно, работать от батареи, которая в 30 раз меньше. Вдобавок ко всему, новая батарея является перезаряжаемой – и заряжается в 1000 раз быстрее традиционных литий-ионных аккумуляторов.

Этот технологический прорыв стал возможен благодаря новой структуре анода и катода, разработанной исследователями Университета Иллинойса. Вкратце, стандартная литий-ионная батарея обычно имеет твёрдый двумерный анод из графита и катод из литиевой соли. Новая же батарея имеет пористые трёхмерные анод и катод. Чтобы создать эту новую структуру электродов, исследователи закрепили слой пенопласта на стеклянном субстрате, а затем электролитическим способом нанесли слой никеля на пенопласт, никель-оловянный сплав на анод и диоксид марганца на катод. Приведённая выше схема поясняет детали этого процесса.

Как следствие, эти пористые электроды имеют огромную площадь поверхности, позволяющую большее количество химических реакций на единицу объёма, результатом чего стал чрезвычайно крупный прирост в скорости разряда (выходной мощности) и времени зарядки. Учёным уже удалось создать с помощью этой технологии микробатарейку размером с пуговицу, и на приведённом ниже графике вы можете видеть её характеристики по сравнению с традиционным элементом Sony CR1620. Плотность энергии нового элемента чуть меньше, но удельная мощность в 2000 раз больше. На другом конце спектра – повышенная плотность энергии, но низкая удельная мощность – лидирует литий-воздушная батарея от IBM.

Удельная мощность против плотности энергии для различных технологий батарей, включая новую микроструктурированную литий-ионную батарейку из Университета Иллинойса

В реальном применение эта технология может позволить оснащать потребительские устройства гораздо более миниатюрными и лёгкими батареями – представьте себе смартфон с аккумулятором толщиной с кредитку, который заряжается за несколько секунд. За пределами потребительской технологии она также найдёт себе множество применений – например в высокомощных лазерах и медицинских устройствах, а также других областях, где традиционно применяются суперконденсаторы, например — в болидах Formula 1 и быстрозаряжающихся силовых инструментах. Но для того, чтобы это произошло, Университету Иллинойса надо сперва доказать, что их технология масштабируется до более крупных типоразмеров, и что процесс производства не слишком дорог для коммерческого применения. Мы будем надеяться на лучшее.