Вечные аккумуляторы, или будущее не за горами

Научно-популярная статья призера III степени конкурса "Просто о сложном" XI Интернет-олимпиады по нанотехнологиям Никифоровой Полины Алексеевны (11 класс, ГБОУ ЛГК на Юго-Востоке, г. Москва).

«А чем вы занимаетесь?» – спросил я.
«Как и вся наука, – сказал горбоносый.
– Счастьем человеческим».
А.Б.Стругацкие “Понедельник начинается в субботу”

Увертюра

Вопрос о возможности существования человека без электроэнергии уже давно стал риторическим. Вокруг каждого из нас минимум две волшебные коробочки, которые позволяют жить полной жизнью. Название у них тоже вполне известное – аккумуляторы. Однако они имеют пренеприятное свойство – через год-два выходить из строя. Многие из нас с удовольствием начинают винить производителей и, выбрасывая батарейки, не подозревают, что суть проблемы заключается в скоропостижной смерти одного вещества – графита.

Чтобы понять причину такого явления, изучим работу аккумулятора. Он состоит из вечных плюса и минуса – катода и анода. Между ними равновесно плавают ионы лития в растворе. Человек добродушно подталкивает их к аноду (так делает каждый из нас, подключая зарядное устройство к сети), и они туда встраиваются, причём обретая энергию. И как раз покидая анод, стремясь обратно в раствор (а затем и к катоду) ионы лития заставляют работать наши мобильные телефоны, фотоаппараты, ноутбуки и пр. Казалось бы, прекрасный круговорот, обеспечивающий нас с вами. Но вот незадача: анод в настоящее время представляет собой графит, который, имея слоистую структуру, постоянно напрягается - его слои расширяются и сужаются из-за ионов лития. И в конце концов, графит не выдерживает и разрушается, оставляя нас без энергии.

Сейчас исследователи занимаются поисками материала, способного заменить графит. И одним из перспективных является титанат лития-цинка Li₂ZnTi₃O₈. С точки зрения химии его структура, несмотря на сложность формулы, достаточно проста. Её можно представить в общем виде, как АВ₂О₄ (Li_0.5Zn_0.5)tet[Li_0.5Ti_1.5]octO₄, то есть часть ионов лития и ионы цинка занимают тетраэдрическое положение, а оставшиеся ионы лития и ионы цинка – октаэдрическое. За счёт этого (см. структуру) формируются так называемые тоннели, в которые ионы лития из раствора свободно входят, не заставляя материал деформироваться. Продолжая петь дифирамбы титанату, можно отметить, что в отличие от графита (который за счёт своего низкого потенциала способен восстанавливать растворённые ионы лития до металлических наростов, приводящих в конечном итоге к короткому замыканию), он абсолютно безопасен после длительного использования.

Казалось бы, что проблема решена, и у нас на блюдечке лежит вечный с точки зрения постоянной эксплуатации (с зарядкой от сети, конечно) аккумулятор. Но дело в том, что титанат лития-цинка имеет один существенный недостаток – низкую проводимость…

Продолжение – в файле статьи...

Полная версия статьи Никифоровой Полины Алексеевны.
Все права на статью принадлежат автору.