Современные портативные устройства нуждаются в емких и компактных источниках энергии, и именно это побуждает многих исследователей искать новые решения. Перспективным кандидатом на роль «батарейки будущего» на сегодняшний день становятся топливные элементы.

Уже сегодня топливные элементы на порядок превышают показатели лучших образцов традиционных батарей. Если обычный ионно-литевый элемент может обеспечить 300 Вт/ч из расчетов на литр объема, то топливный элемент, работающий на метаноле, теоретически сможет выдавать 4800 Вт/ч из расчетов на литр объема. Это означает, что время работы мобильного телефона без подзарядки превысило бы календарный месяц, а ноутбуки, оснащенные такими батареями, работали бы автономно сутками. Именно это послужило толчком к активным исследованиям в области топливных элементов такими компаниями, как NEC, IBM, Toshiba и др.

Принцип работы элемента нового поколения заключен в том, что атомы водорода извлекаются из химического источника и, вступая во взаимодействие с катализатором, отдают свои электроны, таким образом, генерируя ток, который необходим для питания электронной техники.

Ионы водорода, высвободившиеся в процессе реакции, с помощью электролита отделяются от топлива и, образуя молекулу воды, вступают в реакции с атмосферным кислородом. Из этого видно, что количество тока, который будет генерировать топливный элемент, прямо пропорционально количеству высвободившихся молекул кислорода. Поэтому, именно площадь поверхности катализатора является ключом к эффективности батареи.

До настоящего момента исследователями для увеличения площади катализатора были опробованы методы, которые они заимствовали из полупроводникового производства. Но такой подход, к сожалению, оказался слишком дорогостоящим и довольно ограниченным по результатам.

Ученные из университета Висконсин нашли новый подход к решению этой проблемы. В результате своих исследований они смогли не только значительно увеличить КПД элемента, но и открыть более простые и недорогие технологии.

Роль материала топливных каналов выполнял фильтр, состоящий из пористой окиси алюминия, стоимость которой не превышает 100 долларов. Такой фильтр пронизан мельчайшими цилиндрическими отверстиями, диаметр которых не превышает 200 нм, и используется в лабораторных условиях для выращивания нанопроводников. Исследователи в фильтре вырастили нанопроводники из сплава меди и платины и, растворив медь, добавили в фильтр азотную кислоту. В результате, медь растворилась в азотной кислоте, и каждое отверстие этого фильтра вместо цельных проводников оказалось заполнено пористыми платиновыми электродами. Такие проводники имеют огромную площадь рабочей поверхности и чрезвычайно сложную структуру.

Далее, исследователи заполнили поры «титановой губки» раствором NaBH₄ и поместили лист фильтрующей электролитической бумаги между массивами из нанотрубок, обеспечивая тем самым выход ионов водорода. Электроды можно подводить к любому участку внешней поверхности данного элемента, а это значительно упрощает подключение источника питания. Такие элементы можно соединять как параллельно, так и последовательно, изменяя таким образом напряжение и силу тока в батарее.

Еще находясь на стадии прототипа, этот новый элемент по своей эффективности на порядок превзошел современные топливные элементы, которые изготовлены при помощи литографических технологий и оказался намного дешевле в изготовлении. Хотя результат превзошел все ожидания исследователей, они считают, что прототип «батарейки будущего» требует усовершенствования, так как, по их оценкам, в данном элементе задействована всего лишь одна треть полезной площади, которая сформирована из сплава электродов.