|  | 14 февраля 2015 | Нанотехнологии, Энергетика

Раковины моллюсков послужили прототипами для новых высокоэффективных литий-ионных аккумуляторных батарей

Раковина моллюска


Многие группы ученых постоянно ведут исследования, направленные на повышение надежности, емкости и прочих характеристик литий-ионных аккумуляторных батарей, которые, как известно, являются в настоящее время основными источниками питания множества портативных и мобильных электронных устройств, электрических и гибридных автомобилей, и т.п. И как это бывает очень часто, некоторые из ученых в поисках новых идей обращаются к живой природе, которая оттачивала все свои "технологии" очень и очень продолжительное время. К таким ученым относятся и ученые из университета Мэриленда, которые для создания нового типа электродов аккумуляторных батарей использовали принципы и процессы, за счет которых выполняет рост раковин моллюсков и улиток некоторых видов. В этих процессах задействованы органические вещества-пептиды, весьма эффективно связывающие вещества из которых производят катоды аккумуляторных батарей, что можно использовать для производства более легких и емких батарей с длительным сроком службы.

Основной трудностью, с которой приходится сталкиваться ученым, работающим с наноразмерными материалами, является то, что когда размеры элементов материала становятся меньше 100 нанометров, химические реакции, в которых задействованы эти материалы, становятся непредсказуемыми и проходят совсем по-иному, нежели в обычных условиях. Однако, именно использование материалов с наноразмерной структурой позволяет увеличивать эффективную площадь электродов, емкость и другие параметры аккумуляторных батарей. Таким образом ученым в любом случае приходится искать решения преодоления проблемы с нестабильностью химических процессов, происходящих в наноразмерных и наноструктурированных материалах.

Решая весь перечень описанных выше проблем, ученые из Мэриленда обратились к способу естественного выращивания раковин моллюсков. Как уже упоминалось, рост этих раковин определяется наличием определенных пептидов - органических соединений, состоящих из цепочек аминокислот. Пептиды, вырабатываемые моллюском, эффективно связывают неорганические соединения, такие как карбонат кальция, а места и интенсивность выделения пептидов определяют скорость и форму роста наноразмерных структур, из которых получается материал раковин.

Выращивание материала электрода


Для того, чтобы иметь возможность выращивать электроды аккумуляторных батарей подобно тому, как моллюски выращивают свои раковины, ученым потребовалось найти пептид, который эффективно связывает окись лития-никеля-марганца (LMNO), материал, из которого делают катоды высокоэффективных литий-ионных аккумуляторных батарей. Тип такого пептида был вскоре найден при помощи метода "Phage Display", который позволил следить одновременно за процессами с участием молекул пептидов миллиарда разных типов.

После этого найденный пептид был совмещен с другим пептидом, который имеет тенденцию закрепляться на поверхности углеродных нанотрубок, которые выступают в роли нанопроводников электродов аккумуляторов. В результате у ученых получился пептид, способный к эффективному связыванию молекул LMNO и прикреплению их к стенкам углеродных нанотрубок.

Весьма примечательным является тот факт, что электроды аккумуляторов, изготовленные таким образом, не подвержены деградации. Наоборот, с увеличением количества циклов заряда-разрядки аккумулятора они начинают работать лучше, что происходит из-за того, что молекулы LMNO с каждым циклом сближаются и прочнее связываются с углеродными нанотрубками, увеличивая площадь контакта и снижая значение сопротивления контакта.

Новая наноразмерная структура новых катодов уже сейчас может быть использована для предотвращения эффекта потери емкости, для увеличения емкости и для снижения веса аккумуляторных батарей. А тем временем ученые из Мэриленда начали дальнейшие исследования с целью применения разработанной ими технологии и для производства электродов другой полярности - анодов. В случае успеха этого мероприятии на белый свет может появиться новая аккумуляторная батарея, построенная на базе "биовдохновленных" технологий, все характеристики которой во много раз будут превосходить аналогичные характеристики самых лучших существующих образцов.




Ключевые слова:
Раковина, Моллюск, Рост, Пептид, Процесс, Электрод, Литий, Ионный, Аккумулятор, Батарея

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Мутировавшие вирусы могут стать основой новых высокоэффективных литий-возду ...
  • Использование кремниевых нанопроводников позволяет утроить емкость и сократ ...
  • Движение анионов фторидов позволит увеличить емкость новых аккумуляторных б ...
  • Использование нового анодного материала удвоит емкость литий-ионных аккумул ...
  • Новый тип воздушных аккумуляторов - емкость в 10 раз выше.




  • 14 февраля 2015 08:34
    #1 Написал: FomaNeverujuwij

    Публикаций: 0
    Комментариев: 3877
    Уже лет 10 слышно о разработках более крутых аккумуляторов на всяких нанотрубках, графенах и т.п. "А воз и нане там" - что-то нечисто в этом деле, кто-то все это развитие тормозит специально, ИМХО


    --------------------
        
    14 февраля 2015 13:50
    #2 Написал: CodeX

    Публикаций: 0
    Комментариев: 120
    Да, предположение такое есть, и оно не безосновательно. С другой стороны, человечество еще не совсем созрело для того, чтобы ему в руки дали технологии, позволяющие снабдить высоким уровнем автономности многие системы. Военные все под себя подгребут и снова будет насилие, террор, все в угоду чьих то эгоистических интересов.
    Представьте себе, один человек обвешанный с ног до головы высокотехнологическими гаджетами, позволяющими ему контролировать ситуацию вокруг, снабжающие воздухом, теплом, связью, вычислительными системами - это же практически универсальный солдат! подключил к своему нано-костюму мультиварку, еды приготовил из того что поймаешь, и снова в строю.
        
    14 февраля 2015 16:16
    #3 Написал: HeavyGait

    Публикаций: 3
    Комментариев: 531
    Цитата: FomaNeverujuwij
    кто-то все это развитие тормозит специально

    Цитата: CodeX
    Да, предположение такое есть, и оно не безосновательно.



    Конечно не безосновательно. Тормозит это всё простой рынок.
    1. Это практически никому не нужно.
    Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 10 лет, если через год выпустят новую версию гаджета и ойфончег политит в помойку вместе с батареей?
    2. Это не выгодно.
    Вот кто-либо из вас желал бы приобрести смартфон не за пятьсот баксов, а за пять тысяч только из-за чудо-батарейки? А производителю зачем выпускать миллион батареек сроком жизни в 10 лет, вместо того, чтобы на протяжении 10 лет,каждый год выпускать по миллиону батарей сроком жизни в один год?

    Поэтому только в специфических сферах деятельности такое и пригодится. В армии, например. Армии некоторых стран мира могут позволить себе очень дорогие батареи с высокими рабочими хар-ми. И долговечность им нужна. Но там другая проблема. У них уже имеются батареи сроком жизни в 20 лет. И пока их не снимут с вооружения новых типов батарей они применять не будут.

    А вот потом уже, после армии, лет через 30, такие батарейки и появятся на рынке. Ну, если они к тому времени будут кому-либо нужны. wink


    --------------------
        
    14 февраля 2015 20:14
    #4 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Задача не в увеличении срока жизни, а в минимализации размеров и веса батарей. А так же в увеличении количества сохраняемой энергии. Армии нужны энерго носители для бластеров.
    маленькие и высоко эффективные лазеры уже есть, проблема с источниками энергии для них.
    В гражданской сфере тоже куча мест где это актуально.
    Проблема в цене.
    Пока все достижения слишком дороги для массового использования.
    Но вот это конкретное дает неплохой шанс на более дешевый вариант формирования высокоэффективных батарей следующего поколения. Возможно мы придем к индивидуальным карманым батареям которые будут питать все что мы используем в быту, от авто-роботов, до коммуникаторов и индивидуальных систем климот контроля и очистки воздуха. и зарплату будем получать не в долларах или рублях, или юанях, а в универсальной валюте. В Килловат \час заряда батарейки.
    У милионеров на счетах будут милионы Киловат, а бедные будут побираться не с шапкой, а с разъемом для подзарядки в руке :))) Ибо неравенство будет сопровождать человека всегда.
        
    14 февраля 2015 20:22
    #5 Написал: radio

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Реальнее другие объяснения, например
    1)Выдающиеся характеристики несколько преувеличены.
    2)Есть серьёзные недостатки, о которых умалчивается.
    3)Очень высокая себестоимость и не видно путей к удешевлению
    4)Лабораторные образцы в промышленных масштабах не воспроизводятся.
        
    15 февраля 2015 00:09
    #6 Написал: HeavyGait

    Публикаций: 3
    Комментариев: 531
    Цитата: argo
    Возможно мы придем к индивидуальным карманым батареям которые будут питать все что мы используем в быту, от авто-роботов, до коммуникаторов и индивидуальных систем климот контроля и очистки воздуха.


    Обязательно придём. Речь шла об искусственном торможении разработок.
    Я считаю, что это произойдёт лет через 20 и обосновал почему так считаю.

    Цитата: argo
    У милионеров на счетах будут милионы Киловат, а бедные будут побираться не с шапкой, а с разъемом для подзарядки в руке :))) Ибо неравенство будет сопровождать человека всегда.


    Какие нафиг бедные? Какие ещё побирушки с разъёмами? Вы что, своих собственных постов не читаете? Все же будут педали крутить и вырабатывать больше чем тратят! И все будут жить красиво и счастливо! Какое неравенство???
    Я с вас хренею!


    --------------------
        
    15 февраля 2015 07:11
    #7 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Человек по природе своей существо ленивое. Наверняка будут и такие, которые вместо того, что бы педали крутить, будут стоять в пешеходных переходах и клянчить " Сами мы не местные, подайте до спорт зала добраться, Я ногу потянул, а врач заболел, ..."
    Это природа человеческая :)))
    Не надо с меня "хренеть". Это может усугубиться, и так и останетесь. Это опасно.
    Я же просто "Проктофилософ науковед". Я занимаюсь вопросами психологии и поведением социума в условиях развитого технологического мира.
    Ведь все что сегодня придумывается или даже просто задумывается и будет изобретено в будущем, влияет на поведение человека как индивидуума и на общество в целом.
    Как это происходит и куда нас ведет ?
    Интересная тема диссертации :)))
        
    15 февраля 2015 09:05
    #8 Написал: radio

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Обидно конечно, что в литиевом аккумуляторе самого лития кот наплакал.
    Основной вес дают структуры анода, катода, электролит, фольга электродов, бронированный стальной корпус. И без них не обойтись.
    Наверное, они уже достигли своего предела. Как цинковые батарейки, которые сто лет почти не меняются.
        
    15 февраля 2015 15:07
    #9 Написал: HeavyGait

    Публикаций: 3
    Комментариев: 531
    Цитата: argo
    Я же просто "Проктофилософ науковед".


    http://s.pikabu.ru/images/big_size_comm/2013-09_3/13790720237367.jpg


    Вот о протофилософии слышал, но ПРОКТО-философ!!!???
    Вы знаете что такое проктология?
    Это вообще кто такой - проктофилософ? lol Я даже боюсь представить откуда он свои проктофилософские трактаты "извлекает".
    А вы ещё говорите - "не надо хренеть". Это ж не от меня зависит.


    --------------------
        
    15 февраля 2015 19:14
    #10 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Я рад что вы поняли шутку :)))

    Но я действительно часто задумываюсь о тех вещах, о которых писал выше.

    Проктофилософ по моему определению, это человек имеющий время и техническую возможность задуматься о вещах не связанных с бытом, трудом и выживанием, только сидя на унитазе, в уединении, в соответствующем помещении, во вне рабочие часы!
        
    16 февраля 2015 12:21
    #11 Написал: ARMINS

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Всё решает рынок. Если новая батарея для айфона будет держать на 80% дольше,но стоить такая батарея будет в 5 раз дороже,то дальше разговоров дело не пойдёт. Но это для айфонов. Для электромобилей такие разработки на вес золота,и они не тормозятся. Там не важны лишние 5000 долларов за автомобиль,если он на одном заряде будет ехать условных не 10, а 18 часов. Имею уверенность,что лет через 15 электромобили будут ездить очень долго на одном заряде, и заряжаться только несколько минут. Просто всему свое время. Ведь время всегда удешевляет массовое производство любой разработки

    А по поводу мыслей,что электроэнергия будет как валюта в будущем,то над этим мы в будущем будем смеяться. В будущем электричество будет очень дешевым. Для этого и реактор холодного синтеза не нужен. Достаточно решить 2 основных пункта. 1. Увеличить КПД и стоимость солнечных панелей. 2. Уменьшить потери при передаче электроэнергии. Оба пункта уже наполовину решены. Так как есть уже материалы и технологии,которые увеличивают КПД солнечных панелей намного. Но производство таких панелей ооочень дорогое выходит. Но наука не стоит на месте,и нанотехнологии удешевлят существующие материалы. По проводникам такая же ситуация. Но сложнее. Так как требует замены существующих сетей. А это ещё дороже. Но ситуация будет решатся как и в солнечных панелях. К тому же это всё будет происходить постепенно. Сначало будут заменятся некоторые участки в отдельных странах. И по мере выгодности будет распространятся на весь мир. Конечно,на это уйдут десятилетия. Вспомните историю появления электричества. Как всё начиналось. И казалось,что дальше конкретной улицы в конкретном городе дело не пойдёт. А сейчас это электричество везде
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.