Цукор-рафінад послужив матрицею для еластичного акумулятора

Ріс. 1. Схематичне зображення етапів отримання електропровідного еластичного композитного матеріалу, що складається з полідіметилсілоксану і відновленого оксиду графена. Еластичність полідіметилсілоксан (PDMS) білий, що його не проводить електричний струм композиція з оксидом графена (GO) коричнева, при перетворенні оксиду графена на відновлений оксид графена (rGO) отримується в результаті композитний матеріал набуває чорного забарвлення. Малюнок з обговорюваної статті в Advanced Materials

Американські вчені розробили метод отримання еластичних акумуляторів, використовуючи як шаблон для отримання гнучких електродів — ключових елементів електронних пристроїв — кубики цукру. Отриманий таким чином натрій-іонний акумулятор за своїми електрохімічними властивостями не поступається літій-іонним. Це дуже важливо для використання в роботі гнучкої електроніки, що переноситься. Однак до комерціалізації розробки необхідно виконати ряд поліпшень — продовжити час його життя, а також отримати великі за розміром і ємністю джерела живлення.

Всі ми практично кожен день використовуємо літій-іонні батарейки і акумулятори. Гарні вони практично всім, але тільки ось останнім часом ходять розмови про те, що в найближчі два десятиліття літію просто не буде вистачати на виготовлення таких пристроїв. Літія в земній корі набагато менше ніж іншого лужного металу — натрію. Тому було б здорово замінити літій-іонні джерела живлення на натрій-іонні. У їх розробці вже досягнуті значні успіхи, проте до недавнього часу такі джерела мали важливий недолік — їм не вистачало гнучкості та еластичності своїх літій-іонних аналогів. Еластичні батареї та акумулятори необхідні для забезпечення роботи гнучкої електроніки — нашкірних датчиків визначення фізичного стану, медичних імплантатів або гнучких смартфонів. Дослідникам з Техасу нещодавно вдалося отримати гнучкий і еластичний натрій-іонний акумулятор.

Американські хіміки розробили метод, в якому гнучкі електроди отримували в кілька стадій, причому створювати електроди дослідникам допомагали звичайні кубики цукру-рафінаду. Виявилося, що матеріал, який нам звичніше бачити на кухні, дозволяє зробити електроди з потрібним розміром, формою і пористістю. На першому етапі отримували гнучку та еластичну основу електрода. Для цього кубик цукру поміщали в чашку Петрі, що містить гель еластичного кремнійвмісного полімера — полідіметилсілоксану. Потім чашку Петрі поміщали в нагріту вакуумну камеру, де за рахунок капілярного ефекту гель проникав у пори шматочка цукру, і полімер формував губку, що повторює структуру пустот у кубику цукру. Потім позбувалися цукру, просто занурюючи просочений полімером рафінад в дистильовану воду, в якій цукор розчинявся, а полімер — ні.

На другому етапі пори полімерної губки заповнювали оксидом графена, який на третьому етапі відновлювали за допомогою іодоводню до електропровідної відновленої форми. За ступенем готовності полімерного електрода можна було стежити, просто спостерігаючи за кольором композиції полімеру і похідних графена: непровідний композитний матеріал з полідиметилсілоксану та оксиду графену коричневий, при відновленні оксиду графену та перетворенні композиції на провідник коричневий колір переходить на чорний (рис. 1).

Як виявилося, такий підхід дозволив отримати матеріал з необхідною комбінацією еластичності, механічної міцності, швидкістю транспорту іонів натрію, потрібних для створення електричного струму, і ємності. Випробування показали, що повністю заряджений акумулятор з електродами, отриманими за допомогою цукру, може розтягнутися на 50% від своєї вихідної довжини, причому здатність до розтягнення визначається виключно механічними властивостями полідіметилсілоксану.

Очікується, що модифікація кремнійвмісного полімеру або отримання нанокомпозитного матеріалу на основі іншого еластомеру дозволить збільшити еластичність електродів і, отже, акумулятора. Що ж стосується електрохімічної продуктивності нового акумулятора, то вона цілком може змагатися з параметрами, характерними для вже відомих гнучких джерел живлення, які переважно являють собою літій-іонні акумулятори.

Робочий прототип акумулятора зберігає 90% своєї ємності після ста циклів, кожен з яких полягає в розтягненні акумулятора на максимально можливу довжину і поверненні у вихідний стан. Дослідники закріпили нове джерело живлення на ліктьовому бандажі і показали, що під яким кутом би людина, яка виконує фізичні вправи, ні тримала руку, натрій-іонний акумулятор подає енергію на світловипромінювальний діод, змушуючи його світитися (рис. 2).

Ріс. 2. Фотографії еластичного натрій-іонного акумулятора, розміщеного на ліктьовому бандажі. Як би не була зігнута рука, акумулятор підтримує роботу комерційного світлодіодного світильника. Малюнок з обговорюваної статті в Advanced Materials

Але до комерціалізації нового типу джерела електричного струму ще необхідно внести в його конструкцію ряд поліпшень — продовжити час його життя, а також отримати великі за розміром і ємністю джерела живлення. Є надія і на те, що запропонований підхід до отримання пористого композитного матеріалу виявиться корисним і для розробки гнучких пристроїв, що конвертують енергію відновлюваних джерел в електроенергію.

Джерело: Hongsen Li, Yu Ding, Heinjoo Ha, Ye Shi, Lele Peng, Xiaogang Zhang, Cristopher J. Ellison, Guihua Yu. An all-stretchable-component sodium-ion full battery // Advanced Materials. 2017. DOI: 10.1002/adma.201700898.

Аркадій Курамшин