Исследователи из Университета Тохоку представили экологически безопасную одноразовую воздушно-магниевую батарейку. Для её активации нужна только обычная вода. В основе батареи лежит магний, который взаимодействует с водой и воздухом (кислородом). Такую батарею легко утилизировать, а использоваться она может для диагностических и носимых устройств.

Источник изображения: Tohoku University

В публикации учёные рассказали о разработке и тестировании высокоэффективной бумажной батареи, активируемой водой. Она использует нейтральный электролит и безопасный высокоэффективный электрокатализатор AZUL на основе пигмента. Бумажная батарея была изготовлена путём приклеивания фольги из магния (Mg) к бумаге и формирования катодного катализатора, а также газодиффузионного слоя (GDL) непосредственно на противоположной поверхности батареи.

Изготовленная таким образом бумажная батарея обеспечила напряжение постоянного тока 1,8 В. Плотность тока достигла 100 мА/см², а максимальная выходная мощность составила 103 мВт/см². Отдельно была проверена и подтверждена безопасность материалов, используемых в бумажной батарее. Кроме того, учёные на примерах показали применение экспериментальной батареи в носимых сенсорных устройствах, таких как пульсоксиметр (датчик SpO₂) и GPS-регистратор.

Источник изображения: The Royal Society of Chemistry 2024

Самым сложным в разработке было создать капиллярный механизм насыщения батареи водой в процессе активации, чтобы магний начинал взаимодействовать с водой и отдавать электроны и ионы. Учёные с этой задачей справились и считают, что для целого ряда сфер применения воздушно-магниевые батареи подойдут лучше литиевых.

Воздух буквально пропитан электричеством, заявляют учёные. Его можно добывать из атмосферы где угодно и когда угодно. Наглядный пример — это грозы. Грозу можно воссоздать на уровне отдельных молекул и это может стать фактически бесконечным источником энергии, рассказали исследователи из США.

Источник изображения: Pixabay

Проблемой добычи электричества из воздуха давно занимаются учёные из Массачусетского технологического университета в Амхерсте (UMass Amherst). Много лет они экспериментируют с культурами бактерий Geobacter sulfurreducens. В серии научных работ исследователи показали, что наноструктуры из бактерий и продуктов их жизнедеятельности способны вырабатывать электричество. Бактерии производят белковые нити нанометровой толщины и тем самым создают среду для надёжной абсорбации влаги из воздуха. На основе разработки, например, учёные представили пластырь, вырабатывающий электричество при сборе пота человека.

Источник изображения: Xinying Liu

Объёмный материал из множества нанонитей создаёт в своей толще перепад уровня влажности между одним электродом и другим, и запускает процесс ионизации во влажной среде. Это естественным образом ведёт к возникновению разности потенциалов на электродах и к протеканию тока, если к ним подключить нагрузку. Всё что нужно для работы такого генератора — это влага в воздухе, а она есть даже в пустыне.

Дальнейшие работы по совершенствованию «воздушного» генератора привели к удивительному открытию. Оказалось, что для его создания бактерии совершенно не нужны. Генератор можно создать из множества легкодоступных материалов, но главное соблюсти определённые условия. Ключевое из них — это создание перепада влажности, а как его добиться — это дело десятое.

Доказательство концепции в одной из предыдущих работ группы UMass Amherst. Источник изображения: Nature

В самом простом случае генератор по извлечению электричества из воздуха представляет собой две лежащие друг на друге перфорированные плёнки. Перфорация выбирается такой, чтобы молекулы воды проникали сквозь неё с трудом, в частности, для атмосферной влаги — это 100 нм. Тем самым на верхней плёнке скапливается больше влаги, чем на нижней и таких слоёв может быть множество — это своего рода насыщенное влагой грозовое облако.

Для влажных районов материал может быть один, для пустынных областей — другой, и всё это без какой-либо возни с бактериальными колониями, о чём исследователи рассказали в журнале Advanced Materials. Таким образом, заключают учёные, из многослойных структур можно создавать генераторы электричества из воздуха киловаттного уровня и это звучит потрясающе.

Индийские учёные реализовали суперконденсатор микронного размера — создали самый маленький накопитель энергии данного типа. Разработка будет востребована для носимой и имплантируемой электроники, а также для датчиков и миниатюрной «умной» техники. Такую микронную «батарейку» можно встроить в любой чип, а это автономность и свобода действий.

Источник изображения: Vinod Panwar

В отличие от обычных химических батарей (аккумуляторов), суперконденсаторы заряжаются очень быстро и способны отдавать большую мощность за кратчайшее время. С ёмкостью у суперконденсаторов всё гораздо скромнее, но для многих задач её вполне хватает. Индийская разработка снимает ещё одно ограничение — учёные совершили прорыв на направлении миниатюризации. Размеры изделия были уменьшены на три порядка.

В основе «микросуперконденсатора», разработанного в Индийском институте науки в Бенгалуру, лежит графен и такой двумерный материал, как дисульфид молибдена (MoS₂). Чешуйки графена и MoS₂ чередовались в каждом электроде суперконденсатора — в катоде и аноде. В качестве электролита использован гель, что даёт возможность интегрировать микросуперконденсаторы в чипы. С водорастворимым электролитом такое было бы сложно или даже невозможно.

Изготовленный таким образом конденсатор показал ёмкость 1,8 мкФ/см² для однослойной структуры (графен-MoS₂). Многослойная структура электродов, состоящих из нескольких чередующихся слоёв графена и дисульфида молибдена набрала ёмкость в 30 раз больше или 54 мкФ/см², а это уже представляет интерес с практической точки зрения.

Источник изображения: ACS Energy Letters

Как поясняют в своей работе учёные, опубликованной в журнале ACS Energy Letters, двухслойные материалы типа MoS₂ являются полупроводниками и, по сути, образуют p-n-переходы (транзисторные структуры). Множество переходов заставляет ионы распределяться между слоями электродов, а не скапливаться исключительно на границе раздела электролит-электрод. Электроды сами становятся накопителями энергии. Это кратно увеличивает ёмкость самых маленьких суперконденсаторов и сулит им хорошие перспективы в качестве источников питания носимой электроники.

Учёные из Австралии смогли выделить фермент, который преобразует водород из атмосферы в электрический ток. Фермент добывается из бактерий, способных выживать во льдах и в термальных источниках. Чувствительность фермента настолько высока, что он улавливает водород в следовых количествах. Когда-нибудь с его помощью можно будет питать гаджеты и другую электронику.

Атомная структура фермента Huc. Источник изображения: Rhys Grinter/CC BY-NC

Вряд ли батарейки с колониями бактерий станут конкурентами людей в борьбе за воздух на нашей планете. Обнаруженный исследователями с факультета биомедицинских открытий Университета Монаша в Мельбурне фермент извлекает энергию из водорода, а не из кислорода. Учёных давно занимал тот факт, что некоторые бактерии могут благополучно жить как в условиях экстремально низких, так и высоких температур. Работа с одними из таких бактерий привела к интересному результату — открытию фермента Huc.

Выяснилось, что фермент улавливает водород вплоть до концентраций 0,00005 % в обычном воздухе, которым мы дышим. Никакие другие известные науке катализаторы или ферменты не способны реагировать с водородом в подобных концентрациях. Учёные подробно изучили механизм взаимодействия фермента с водородом и научились добывать его из бактерий в объёмах достаточных для исследований.

Также выяснилось, что фермент очень устойчив и может долго храниться, например, в замороженном состоянии. Для серийного производства источников питания на основе ферментов это удобное свойство. Правда, у учёных пока нет рецепта, как массово производить нужный фермент и каким должен быть элемент питания на его основе. На этих задачах они обещают сосредоточиться на следующих этапах исследования.

Добавим, статья о работе вышла в журнале Nature.

Одной из частых причин выхода электроники из строя является старение электролитических конденсаторов. В полной мере это относится к импульсным блокам питания, где конденсаторы играют ключевую роль. Даже самые лучшие детали не позволяют рассчитывать на то, что блоки получится использовать намного дольше допустимого срока эксплуатации, который не превышает десяти лет. Тем удивительнее, что в Германии начнут производить блоки питания с расчётным сроком работы 50 лет.

Источник изображения: Marco Wünschmann, Welectron

Повысить сроки работы импульсных блоков питания в пять раз смогла немецкая компания Digital Power Systems, которую создали выходцы из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology). В основу «вечных БП» были положены плёночные конденсаторы. Плёночные конденсаторы очень и очень долговечны, но у них есть серьёзный недостаток — это сравнительно большие размеры. Размер же для современной электроники имеет первостепенное значение. Перед разработчиками стояла задача создать по-прежнему компактные импульсные блоки питания с использованием исключительно плёночных конденсаторов.

Выход был найден в усилении вычислительных возможностей микроконтроллеров блоков питания. В блоки питания встроили более мощные чипы с датчиками состояния окружающей среды, которые чутко реагировали на окружающие условия и постоянно подстраивали форму и амплитуду напряжения на обкладках конденсаторов, чтобы рабочие характеристики блоков питания оставались в пределах допустимых. Это позволило использовать в блоках питания конденсаторы меньшей ёмкости и, следовательно, меньшего размера.

Проведённые в институте испытания искусственного старения показали, что блоки питания остаются рабочими при температуре окружающей среды 40 °C до 50 лет и дольше. Подобные блоки питания найдут применение в аварийном освещении ветряков и много где ещё. Возможность поставить их и забыть о них «навсегда» высвободит значительные рабочие силы в командах по техническому обслуживанию промышленных объектов.