Шведские ученые создали батарею из бумаги и соли

Исследователи из Университета Уппсала (Uppsala University) в Швеции создали гибкую батарею, используя два широко распространённых и дешёвых компонента: целлюлозу и соль.

В лёгком перезаряжаемом элементе питания используются тонкие куски бумаги – спрессованные переплетённые волокна целлюлозы – для электродов, а соль выступает в роли электролита. Новое устройство должно быть простым в производстве и безопасным для окружающей среды, как считает возглавляющая проект Мария Стром (Maria Stromme). Она отметила, что батарея может быть использована для питания диагностических медицинских приборов или сенсоров на упаковках, или встраиваться в ткань.

Для производства не требуется продвинутое оборудование, поэтому технология доступна для развивающихся стран, – говорит Стром.

В батарее применена тонкоплёночная конструкция, над которой в течение нескольких лет трудится ряд компаний. Обычно такие элементы питания содержат твёрдый электролит вместо жидкости или геля, а электроды сделаны из лития с никелем, кобальтом или марганцем. «Бумажно-солевой» аккумулятор – идеальная замена литиевых, которыми комплектуется множество портативных устройств, таких как беспроводные сенсоры, смарт-карты, медицинские имплантаты и чипы RFID. В этих случаях чем меньше батарея, тем лучше.

Тонкоплёночные источники питания имеют и другие преимущества. Они имеют длительный срок эксплуатации и хранения, удерживая заряд в течение многих лет; количество циклов перезарядки составляет десятки тысяч, как говорит эксперт по печатной электронике и главный исполнительный директор исследовательской компании IDTechEX Рагу Дас (Raghu Das), «поддерживая беспроводные сенсоры, которые могут функционировать десятилетия с подходящим потребляющим устройством».

Тем не менее, только малое количество начинающих компаний – Infinite Power Solutions в Литтелтоне, Калифорния, и Solicore в Лэйкленд, Флорида, – смогли мобилизовать достаточный начальный капитал, чтобы вывести свои решения на рынок. Более 4 млн тонкоплёночных аккумуляторов будет поставлено в этом году, согласно отчёту за май аналитической компании NanoMarkets.

Новые бумажные батареи ещё должны достигнуть приемлемых характеристик. Литиевые аналоги могут вырабатывать 4 В и имеют ёмкость от 200 до 300 мВтч на грамм. Для сравнения, один бумажный элемент вырабатывает 1 В, а ёмкость достигает 25 мВтч. При максимальном токе после каждых 100 циклов перезарядки теряется 6% ёмкости. Однако Стром утверждает, что её команда уже добилась 1000 циклов с меньшим током. Также она объясняет, что эти показатели относятся к перспективному лабораторному прототипу.

В данный момент ведётся работа по оптимизации технологии. В конечном счёте, объединение многих элементов вместе в последовательном подключении увеличит напряжение. Перезарядка бумажных аккумуляторов проходит намного быстрее, чем литиевых. Используемая целлюлоза взята из некоторых водорослей, обитающих в морях и озёрах, и имеет наноструктуру, увеличивающую площадь поверхности стенок клеток организмов в 100 раз.

Исследователи покрыли бумагу из этого материала проводящим полимером и поместили пропитанный в солевом растворе бумажный фильтр между бумажными электродами. Ионы хлора перемещаются от положительного электрода к отрицательному, а электроны проходят через внешнюю цепь, создавая ток. Перезарядка длится несколько десятков секунд, потому как ионы накапливаются на тонком электроде очень быстро. Для литиевых батарей это время составляет 20 минут. Комбинация большой ёмкости и малого времени зарядки очень уникальна, – отмечает Стромм.

По сравнению с другими тонкоплёночными технологиями, новая разработка находится на ранней стадии развития. Для достижения успеха необходимо добиться приемлемой стоимости и производственного процесса, но характеристики – ключевой элемент, – считает консультант по энергетическим вопросам в Frost & Sullivan Сара Брэдфорд (Sara Bradford). – Если не будет усовершенствования на несколько уровней существующей технологии, то очень сложно получить прибыль".

Стром уверена, что безвредная для окружающей среды разработка найдёт свою нишу. Появление технологии на рынке ожидается в течение трёх лет.