Новая технология хранения энергии в три раза эффективнее литий-ионных батарей

Исследователи из Японии и США продемонстрировали, что скрученные углеродные нанотрубки могут хранить в три раза больше энергии, чем стандартные литий-ионные батареи. Этот прорыв может привести к созданию легких, компактных и безопасных имплантатов и сенсоров нового поколения.

Углеродные нанотрубки представляют собой нанометровые структуры, состоящие из одного слоя атомов углерода. Также известные как графен, эти углеродные листы невероятно легки, но прочнее стали. Благодаря своим уникальным свойствам, материал нашел применение в различных передовых технологиях.

Исследователь Санжив Кумар Уджайн из университета Шиншу в Японии задался вопросом, могут ли углеродные нанотрубки использоваться для хранения энергии. В 2022 году он переехал в Университет Мэриленда в Балтиморе, где продолжил свои исследования и обнаружил, что скручивание нанотрубок значительно увеличивает их эффективность в накоплении энергии.

Механические пружины, использовавшиеся для накопления энергии в детских игрушках и наручных часах прошлого, вдохновили Уджайна на проверку аналогичной концепции в масштабе нанотехнологий. Команда в Центре передовых сенсорных технологий (CAST) создала «веревки» из коммерчески доступных углеродных нанотрубок, которые затем скручивались и покрывались различными веществами для улучшения прочности и гибкости.

Для оценки, сколько энергии могут высвобождать скрученные веревки из нанотрубок при разворачивании, ученые провели серию экспериментов и сравнили результаты с другими материалами. Скрученные углеродные нанотрубки показали энергоемкость в 15 000 раз выше, чем стальные пружины на единицу массы.

Хотя это достижение впечатляет, основным конкурентом оставались литий-ионные батареи — устройства с самой высокой плотностью энергии на сегодняшний день. В результате экспериментов было установлено, что скрученные углеродные нанотрубки могут хранить в три раза больше энергии, чем стандартные литий-ионные батареи. При этом они демонстрируют стабильную работу в широком диапазоне температур — от -60 до 100 градусов Цельсия.

Технология, основанная на механическом накоплении энергии, а не на электрохимическом, является более безопасной для использования в устройствах, таких как имплантаты. Хотя до практического применения в имплантатах еще далеко, команда работает над прототипом сенсора, использующего скрученные углеродные нанотрубки в качестве источника энергии.

Исследование, демонстрирующее огромный потенциал углеродных нанотрубок для механического накопления энергии, было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.