Tehnoloģiskā uzplaukuma dēļ šobrīd arī ļoti daudzas zinātnes nozares piedzīvo uzplaukumu. Viena no tām ir nanozinātne, kura pēta ierīču miniaturizācijas iespējas un  jaunu materiālu izveidi, kuru struktūru veido nanomēroga detaļas. Šonedēļ portālā  „ScienceDaily” ziņots, ka ir izstrādāts jauns nanomateriāls, ko varēs izmantot nākošās paaudzes uzlādējamām Litija jonu baterijām priekš elektriskajām automašīnām, portatīvajiem datoriem, telefoniem un citām pārnēsājamām ierīcēm.

Jaunais materiāls tiek saukts par „nanokausu”, jo sastāvā esošie elementi atgādina konusveida saldējumu, kuram galā ir kausa formas saldējuma pikucis. Šis materiāls spēj izturēt ļoti lielu uzlādes – izlādes intensitāti. Ja uz jaunā materiāla testēto slodzi pieliktu šobrīd ierastajiem Litija jonu baterijas elektrodiem, tie ļoti ātri sabojātos un sabruktu. „Nanokausa” unikālās īpašības saistītās ar tā veidojošajiem elementiem, struktūru un izmēriem.

Pētnieku komanda, kas darbojās pie šī materiāla izstrādes, demonstrējot aptuveni 100 secīgas uzlādes – izlādes, parādīja, ka šis materiāls to spēj izdarīt 40 – 60 reizes ātrāk nekā ierastie Litija jonu bateriju elektrodi, taču saglabājot aptuveni tādu pašu enerģijas blīvumu. Šis demonstrējums vedina pētniekus domāt, ka viņu izveidotajam materiālam ir ļoti liels potenciāls, lai realizētu augstas jaudas un ietilpības lādējamas Litija jonu baterijas.

Ja izdotos realizēt jauno materiālu, tad šobrīd nepieciešamo laiku, lai uzlādētu telefonu vai datoru, varētu reducēt no stundām uz minūtēm. Pētnieki ir pārliecināti, ka materiāls varētu kalpot arī elektronisko automašīnu bateriju izstrādē. Visām elektriskajām mašīnām ir nepieciešama augsta jauda un enerģijas blīvums. Šī brīža tehnoloģijās izmanto divu sistēmu mijiedarbību: tiek lietoti superkondensatori, lai sasniegtu lielas jaudas, kas nepieciešamas automašīnas iedarbināšanā un paātrinātā kustībā, kā arī tiek lietoti ierastie akumulatori, kas nodrošina augstu enerģijas blīvumu priekš vienmērīgas pārvietošanās un citām funkcijām. Izmantojot „nanokausus”, šīs abas sistēmas varētu apvienot vienā.

Anoda struktūra Litija jonu baterijās fiziski aug un sabrūk uzlādēšanas – izlādēšanas procesa laikā. Lādējot bateriju, anods iegūst papildus tilpumu pievienoto Litija jonu dēļ. Izlādējot bateriju, ir pretējs efekts. Šīs mazās izmaiņas anodā veicina mehānisko spriegumu veidošanos. Jo ātrāk notiek lādēšanas process, jo lielākiem spriegumiem tiek pakļauts anods, tādēļ arī pārāk strauja baterijas uzlādēšana var novest pie anoda bojājumiem. Šī iemesla dēļ mobilo telefonu un datoru bateriju uzlāde tiek veikta ļoti lēni, lai tās kalpotu pēc iespējas ilgāk.

„Nanokausu” materiāls ir veidots tā, lai pēc iespējas labāk pārciestu šos mehāniskos spriegumus. Materiāla struktūras pamatā ir oglekļa nanostieņi, kuri pārklāti ar nano izmēru alumīnija kārtiņu, kurai pa virsu vēl ir uzlikts silīcija „kauss”. Struktūra nodrošina materiāla elastību un spēju ātri pielāgoties uzlādēšanas vai izlādēšanas procesam tā, lai materiālā nepaliktu pastāvīgi bojājumi. Segmentētā struktūra nodrošina pakāpeniska sprieguma novirzīšanu uz oglekļa nanostieņiem, pēc tam uz alumīnija slāni un silīcija elementu. Šī spriegumu pārdale pasargā materiāla virsmu no pēkšņiem sprieguma izmaiņas draudiem.

Arī materiāla struktūru izmēriem ir liela nozīme materiāla īpašību noteikšanā. Salīdzinot ar makroskopiska izmēra analogiem, mazā izmēra „nanokausi” nodrošina efektīvāku Litija jonu pievienošanos un atraušanos. Tas nozīmē, ka „nanokausi” var atrisināt iedzīvojušos problēmu: kā nodrošināt nemainīgu enerģijas blīvumu, palielinot jaudas blīvumu.

Bet materiālam ir arī negatīvs aspekts, šajā gadījumā relatīvi zemā elektroda masa. Lai atrisinātu šo problēmu, izpētes komanda mēģinās materiālā audzēt lielākus silīcija elementus, lai palielinātu kopējo masu vai arī attīstīs metodi, lai izveidotu vairākas silīcija elementu kārtas. Vēl viens pētījuma virziens ir „nanokausu” audzēšanu uz lielām lokanām pamatnēm, lai materiālu varētu rullēt vai piešķirt tam citu nepieciešamo formu.

Avots: ScienceDaily