Одностенные нанотрубки давно пытаются использовать для увеличения эффективности аккумуляторов, однако результаты таких исследований нередко противоречат друг другу: одни и те же, казалось бы, материалы показывают неодинаковые параметры во вроде бы сходных условиях. В чём же дело?

Углеродные нанотрубки (УНТ) бывают как проводящими («металлическими», 33% всех нанотрубок), так и полупроводниковыми (остальные 67%). Тем не менее до недавнего времени не было ясности с тем, как сильно эти две формы различаются по своим качествам, будучи элементами аккумуляторов.

Рис. 1. Плёнка на основе одностенных нанотрубок, используемая в катоде экспериментального литиевого аккумулятора (иллюстрация ACS Nano).

Американские материаловеды, ведомые Марком Херсамом (Mark Hersam) из Северо-Западного университета, изучили этот вопрос и полагают, что тип нанотрубки действительно сильно влияет на эффективность конечного устройства.

Чтобы разделить металлические УНТ и полупроводниковые, использовалось центрифугирование. Вещество, которым предварительно смачивалась поверхность нанотрубок, слегка по-разному прилипает к разным видам УНТ, что и определяет процесс сепарации (разные типы смоченных трубок весят в итоге по-разному).

Как удалось выяснить в ходе экспериментов,

между металлическими УНТ может поместиться намного больше ионов лития, чем между полупроводниковыми, и это позволяет катодам из такой формы углерода иметь более высокие показатели скорости заряда и разряда и несколько большую плотность накопления энергии.

Вместе с тем качественный разрыв в показателях с металлическими трубками можно преодолеть за счёт более плотного расположения полупроводниковых УНТ. Дело в том, что, как утверждают исследователи,

при плотном расположении ионы лития эффективнее закрепляются в зазорах между парой соседних нанотрубок и начинают накапливаться на таких катодах столь же хорошо, как если бы они были изготовлены из металлических УНТ.

В любом случае отделение одних УНТ от других перед их использованием в аккумуляторах имеет смысл: если этого не сделать, распределение трубок в катоде будет случайным, и качества такого компонента станут малопредсказуемыми и, очевидно, более низкими, чем в случае преднамеренного оптимизированного применения как первых, так и вторых.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале ACS Nano.