Учёные создали батареи для изучения Марса

Исследователи из Клемсонского университета (штат Южная Каролина) разработали технологию, которая позволит создавать более легкие и быстрозаряжаемые элементы питания для марсианских исследовательских аппаратов и спутников. Статья о разработке опубликована в издании ACS Applied Materials & Interfaces.

Вес батареи — важная характеристика, когда речь идет о космических исследованиях. «Большинство аппаратов в основном получают энергию от солнца, — говорит один из авторов работы Рамакришна Подила. — Но спутники должны иметь возможность накапливать энергию до тех пор, пока они находятся в тени, отбрасываемой Землей. Мы должны сделать батареи как можно более легкими, потому что чем больше весит спутник, тем дороже обойдется его миссия».

Чтобы понять, чего добились ученые, можно представить графитовый анод в литий-ионной батарее как колоду карт, где каждая карта — это слой графита, используемый для хранения заряда. Главная проблема здесь заключается в том, что графит не слишком емок и не может хранить достаточно большой заряд. Исследователи решили исправить это, выбрав другой материал для анода — кремний.

Сравнение структуры медного (а) и кремний-углеродного (b) электродов / Podila, Chiluwal et al., ACS Applied Materials & Interfaces

Кремний обладает более высокой электроемкостью, однако при заряде и разряде распадается на мелкие частицы. Чтобы обойти это препятствие, команда ученых использовала кремниевые наночастицы, которые повышают стабильность устройства и обеспечивают более длительный срок службы.

Таким образом, в новой технологии вместо графитовой «колоды карт» используются углеродные нанотрубки, между которыми расположены кремниевые прослойки. «Эти нанотрубки образуют квазитрехмерную структуру, удерживают кремниевые наночастицы вместе даже после 500 циклов и снижают электрическое сопротивление, возникающее в результате разрушения наночастиц», — объясняет соавтор работы Шайлендра Чилувал.

Изменение гравиметрической емкости нового типа батарей на 100 циклах заряда разряда в диапазоне 0,01 — 1В (красный цвет) и 0,1 — 1 В (черный цвет) / Podila, Chiluwal et al., ACS Applied Materials & Interfaces

Использование элементов питания из кремния и других наноматериалов не только увеличивает емкость, но и позволяет заряжать аккумуляторы более мощным током, что приводит к сокращению времени зарядки. Новая конструкция позволяет заряжать батареи вчетверо быстрее, чем это возможно для существующих аналогов.

Новая технология создавалась при финансовой поддержке NASA и предназначена в первую очередь для космических исследований с прицелом на изучение Марса. Усовершенствованные элементы питания можно использовать в спутниках, марсоходах и скафандрах. Кроме того, в будущем такую технологию можно будет применять и на Земле — например, в электромобилях.

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.