Разработкой химических источников тока (и первичных, батареек», и вторичных, «аккумуляторов») с использованием наночастиц занимаются явно или неявно уже не один десяток лет. Сейчас этому разделу науки (а точнее, практики), который часто называют наноионикой, посвящены целые разделы конференций. Это связано, очевидно, с тем, что все более востребованными становятся надежные, долговечные, безопасные и дешевые химические источники тока (ХИТ) для многочисленных устройств микроэлектроники.

Разработка новых «умных» поколений ХИТ основана на том, что свойства ультрадисперсных частиц в существеннейшей степени изменяются по сравнению с объемным телом. И причина этого не только в доступности поверхности и облегчении диффузионных потоков, но и в изменении концентрации дефектов, а главное – в разнообразных «размерных эффектах», которые связаны с тем, что размер частицы становится меньше некоторой критической величины, сопоставимой с так называемой корреляционной длиной или радиусом взаимодействия, характерным для того или иного физического явления. В результате возникают новые закономерности, что проявляется в уникальном физико-химическом и электрохимическом поведении таких наноматериалов.

ГРАФИТОВО-ЦИНКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ: 1 – изолирующая прокладка; 2 – бесшовный цинковый стаканчик (отрицательный электрод); 3 – изолированная металлическая оболочка; 4 – пористый разделительный стаканчик; 5 – графитовый стержень (положительный электрод); 6 – деполяризующая смесь; 7 – пастообразный электролит; 8 – пространство для расширения; 9 – запрессованные прокладки; 10 – полимерный герметик; 11 – металлическая крышка; 12 – изолирующая прокладка; 13 – металлический колпачок.

За счет изменения дисперсности самый дешевый и самый известный (еще с 1867 г.!) марганец-цинковый элемент француза Жоржа Лекланше “Zn-MnO₂” получает вторую жизнь в виде … всемирно разрекламированной щелочной батарейки Дюраселл! В настоящее время по всему миру сделано большое количество экспериментов, позволяющих получить известный всем диоксид марганца в виде наночастиц, нанопластин, наноусов и даже нанотрубок. Такие материалы работают в батарейках дольше, лучше и, конечно, быстрее перезаряжаются в аккумуляторах, если в них, скажем, интеркалировать литий. Так, компанией Sony (и ее конкурентами) созданы прототипы литий-содержащих аккумуляторов, которые восстанавливают десятки процентов своей мощности при зарядке в течение всего нескольких секунд. Никакого чуда тут нет.

Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах: Электростатические эффекты разделения зарядов в нанокомпозитах металл (рутений) – оксид (Li₂O), J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)

Еще одна важная черта наночастиц – они не «растрескиваются» и не изменяются при циклировании аккумулятора (в циклах зарядка-разрядка). Раньше считалось, что это явление серьезно ограничивает ресурс обычных химических источников тока, поскольку разрушается или даже химически изменяется электрод, при этом теряется «связность» между отдельными частями электрохимической цепи «батарейки». Другая проблема – электроды могут прорастать друг в друга через разделяющую мембрану («усы» и «дендриты» металлического лития), что приводит к короткому замыканию, иногда – даже к «вскипанию» аккумулятора, как было в недавней истории с изъятием из эксплуатации «ноутбуоков» одной очень известной фирмы. Все, аккумулятор можно выбрасывать.

Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах:поведение «ионной жидкости» («шарики» и «ионы»), распределенной в прочной нанопористой непроводящей матрице (обозначено зеленым цветом). (J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)

При использовании наночастиц в виде «пасты» с тесно контактирующими частицами эти проблемы во многом снимаются. В то же время, конечно, возникают и новые «камни преткновения». Например, из-за высокой реакционной способности наночастиц они с удовольствием реагируют с электролитом и вообще со всем, с чем соприкасаются. Однако эту проблему химики успешно решают, если судить по большому числу «свежих» патентов, полученных по этой тематике.

Различные формы MnO₂ для марганец-цинковых батареек (Journal of Solid State Chemistry 179 (2006) 1757–1761)

В последнее время все больше систем становятся потенциальными или реальными кандидатами для использования в наноионике. Одна из них – материал состава LiFePO₄ со структурой оливина. Другие системы, которые упоминаются в литературе в последнее время:

«Вискеры» с туннельной структурой (http://www.nanometer.ru/…whisker.html)

Ванадиевые бронзы (http://www.nanometer.ru/…_bronzi.html)

Микропористые системы оксидов переходных металлов (http://www.nanometer.ru/…stalli1.html)

Наноструктурированный диоксид титана (http://www.nanometer.ru/…erials5.html)

Углеродные нанотрубки (http://www.nanometer.ru/…notubes.html)

Уникальные нанотрубки на основе MnO₂ для химических источников тока (Adv. Mater. 2005, 17, 2753–2756).

В России направление наноионики также находит свое развитие. Например, совсем недавно совместный проект по наноионике, предложенный Институтом Физической Химии и Электрохимии и Факультетом Наук о Материалах МГУ им.М.В.Ломоносова (http://www.fnm.msu.ru/), был поддержан Федеральной Целевой Программой по критическим технологиям развития РФ (http://www.fasi.gov.ru/). Огромное количество проектов по данной тематике традиционно проходит и через Российский Фонд Фундаментальных Исследований (http://www.rffi.ru/). Таким образом, использование наночастиц и нанокомпозитов в химических источниках тока, в том числе тех, что уже гордо пришли на рынок к нам с вами, становится вполне реальным и эффективным. Это один из примеров, когда нанотехнологии действительно выполняют то, что ими обещано и что от них ждут.

Автор Е.А.Гудилин (Химфак, ФНМ МГУ)

Источник: http://www.nanometer.ru/…teriali.html