Аккумуляторы научились делать миниатюрными и гибкими

Сверхтонкие электроды для литиевых аккумуляторов позволят создавать мобильные телефоны, способные изгибаться в любом месте и направлении. Увеличится и время их работы без подзарядки. Дополнительные сферы применения новинки — космическая микроэлектроника и биоимпланты для медицины. Производить электроды планируют с помощью технологии струйной печати с использованием специальных чернил, содержащих оксиды нескольких металлов и токопроводящую углеродную добавку. Промышленный образец такого аккумулятора может быть создан уже через три года.

Сверхтонкие электроды для литиевых аккумуляторов позволят создавать мобильные телефоны, способные изгибаться в любом месте и направлении. Увеличится и время их работы без подзарядки. Дополнительные сферы применения новинки — космическая микроэлектроника и биоимпланты для медицины. Производить электроды планируют с помощью технологии струйной печати с использованием специальных чернил, содержащих оксиды нескольких металлов и токопроводящую углеродную добавку. Промышленный образец такого аккумулятора может быть создан уже через три года.

Батарею — в печать

Появление компактных литий-ионных батарей привело к созданию мобильных устройств и ноутбуков, способных работать без подзарядки от нескольких часов до пары дней. Однако дальнейшее уменьшение автономных источников питания ограничено возможностями технологии изготовления электродов, являющихся их основными компонентами. Российские ученые предложили решить эту проблему, напечатав сверхтонкие электроды на струйном принтере с помощью особых чернил.

— В современной промышленности удается создавать электроды толщиной в 100 микрометров, — рассказал аспирант лаборатории SCAMT (Solution Chemistry of Advanced Materials and Technologies — химические решения для передовых материалов и технологий. — «Известия») Санкт-Петербургского НИУ Информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Денис Колчанов. — Нам удалось снизить этот показатель в 20 раз (до 5 микрометров), что позволит значительно уменьшить размеры батареи, которая состоит из сотен чередующихся слоев электродов, между которыми находится электролит. При этом ее удельная емкость останется той же.

Возможен и обратный эффект: если при использовании новых батарей оставить размер аккумулятора прежним, это позволит в разы увеличить время работы устройств без дополнительной подзарядки. Правда, точные параметры емкости будут известны лишь после появления готового варианта источника питания для промышленного производства.

По словам ученых, таких результатов им удалось добиться с помощью разработки нового наноматериала для струйной печати на основе оксидов марганца, никеля и кобальта с повышенным содержанием лития. Данные компоненты находятся в суспензии, содержащей токопроводящую углеродную добавку и связующее вещество. Вместе они образуют чернила для специального струйного принтера.

— Согласно нашей технологии, смесь, состоящая из частиц размером в 400 нанометров, попадает в картридж аппарата для струйной печати. Он формирует узкие и тонкие дорожки, которые затем высыхают и превращаются в электроды, — пояснил Денис Колчанов. — При этом струйная печать расходует минимальное количество чернил, что критически важно для масштабирования технологии, которая должна быть максимально экономичной.

Гибкое решение

В дальнейшем разработчики планируют использовать аддитивные технологии не только для создания электродов батареи, но и для нанесения на них слоя электролита. В результате можно будет создавать массивы из элементов питания, обладающие высокой пластичностью.

Предполагается, что это позволит применять их в гибких мобильных устройствах нового поколения — например, в качестве дополнения к уже созданным пластичным экранам. Такие смартфоны можно будет сгибать не в одном месте, как, например, модели Samsung Galaxy Fold или Huawei Mate X, а в любой области корпуса.

Кроме того, малые габариты новых элементов питания позволят использовать их в устройствах сверхмалого размера. В частности, к ним относятся биоимпланты и элементы гибкой электроники для космических аппаратов, которые особенно требовательны к размеру компонентов и их весу.

Однако за такие преимущества техники потребителям придется доплатить. Ожидается, что на первых этапах внедрения сверхтонких батарей их стоимость будет в несколько раз превышать среднюю цену на стандартные литиевые батареи из-за недостаточной развитости производства новых материалов. По мере расширения мощностей этот недостаток должен быть преодолен, и источники питания сравняются по цене.

Независимые эксперты подтвердили актуальность новой разработки.

— Более тонкие электроды действительно будут способны лучше переносить изгиб по сравнению с их стандартными аналогами, а, благодаря струйной печати, их можно будет наносить на сложные поверхности, что открывает дополнительные инженерные возможности, — считает директор Центра компетенций «Новые мобильные источники энергии» ИПХФ РАН Юрий Добровольский. — В частности, это свойство можно использовать при создании мини-батарей, интегрированных в печатные платы. Например, они могут размещаться на поверхности процессоров.

Согласны с последним тезисом и ученые из НИТУ «МИСиС».

— Предложенную технологию можно назвать практически безальтернативной для печати батарей для микроэлектроники. Кроме того, она подходит для создания элементов питания гаджетов, которые рассчитаны на длительное потребление электроэнергии в процессе работы, — отметил приглашенный эксперт кафедры физической химии НИТУ «МИСиС» Алексей Юдин. — С другой стороны, для создания опытно-промышленных прототипов таких батарей команде ученых еще только предстоит грамотно подобрать токопроводящий материал, который будет находиться между электродом и токоприемником, на это может потребоваться длительное время.

Сегодня в разработке батареи участвуют ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, университета ИТМО и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. Промышленный образец планируется создать через три года.