Зарядка на ходу: ученые из МИСиС придумали способ зарядки гаджетов теплом тела

Немного об аккумуляторах

Аккумуляторы давно вошли в нашу жизнь и стали ее неотъемлемой частью. Все гаджеты, которые вы когда-либо держали в руках за последнее время, имеют аккумулятор внутри, а автомобили работают на этом устройстве уже много десятков лет.

Аккумулятор – это устройство, которое копит энергию с целью ее последующего использования. Он содержит два длинных листа: из графита и из оксида лития с кобальтом, которые смазаны электролитом и свернуты в рулон.

Аккумуляторы работают за счет разности напряжения между двумя металлическими пластинами, которые погружены в раствор электролита. Это можно объяснить на примере двух емкостей с жидкостью, которые соединены трубкой. Для того, чтобы вода в трубке начала двигаться, необходимо создать разность уровней. Например, можно поднять одну емкость выше другой. Постепенно вода перетекает из левой бутылки в правую, а когда уровни равняются, течение воды прекращается. Если вновь возвращаться к аккумуляторам – это будет означать его полный разряд. Для его заряда необходимо вернуть воду в первоначальную емкость. Например, с помощью чашки. Если вычерпывать воду из правой бутылки и выливать ее в левую, то аккумулятор будет заряжаться. Вычерпывать, кстати, нужно с такой же скоростью, с какой вода вытекает по шлангу. Иначе аккумулятор снова разрядится. Именно так и работают современные аккумуляторы.

Все началось с опытов над лягушками

Открытие аккумулятора – одно из самых значительных событий в области электротехники. Впервые источник тока, который работал по принципу разности напряжений, был создан в XIX веке. Началом послужил опыт Луиджи Гальвани в 1786 году. Гальвани разрезал и препарировал лягушку для одного из своих многочисленных опытов. Ее лапки он подвесил на медные крючки, а саму лягушку поставил на стол возле электрической машины. Один из его помощников случайно коснулся острием скальпеля внутренних бедренных нервов лягушки, и ее конечности начали судорожно сокращаться.

Алессандро Вольта в 1800 году решил, что опыты Гальвани связаны с наличием замкнутой цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток. Таким образом, он впервые создал химический источник тока, или Вольтов столб, который стал прародителем современных электрических батарей. Свое изобретение Вольта назвал «электрический орган».

В 1803 году немецкий физик Джоан Риттер изобрел электрическую аккумуляторную батарею. Он составил столб из пятидесяти медных кружочков, между которых проложил влажное сукно. Далее он пропустил по нему ток с помощью Вольтова столба. Как итог: столб стал вести себя как источник электричества.

А Зинстеден был так близок...

В 1854 году немецкий врач Вильгельм Зинстеден приблизился к созданию первого аккумулятора, когда пропускал ток через свинцовые электроды в разведенной серной кислоте. Результаты были интересные: в замкнутой цепи ненадолго возникал ток, но практического объяснения он этому не нашел.

В 1859 году французский инженер Гастон Планте продолжил исследования и построил первый в истории свинцовый аккумулятор, который состоял из двух свинцовых пластин. Его помещали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя пару часов после отключения с устройства можно было снимать ток. Маленькая емкость не позволяла удерживать его надолго, поэтому Планте разрядил прибор и пропустил через него ток в противоположном направлении. Спустя 500 часов, слой окиси свинца увеличился, образовав пористую поверхность, что сделало пластины более объемными и прочными.

В начале ХХ века совершенствованием аккумулятора занялся Томас Эдисон. Он создал первые железно-никелевые аккумуляторы с электролитом в виде едкого калия, которые были выносливыми к частым циклам разряда и заряда прибора. Также его аккумулятор был более комфортный в переноске, так как был значительно меньше и легче своих предшественников. Использовались аккумуляторы только в транспортных средствах и переносных генераторах. О мобильных устройствах в те времена не было и речи.

Но аккумуляторы добрались и до телефонов

Впервые аккумуляторы для сотовых телефонов начали использовать с 1940 года. Тогда в полицейских автомобилях города Сент-Луис, штата Миссури, появились радиотелефоны, которые подзаряжались от автомобильных аккумуляторов. В 1973 году появился первый портативный мобильный телефон Motorola, который получал энергию с помощью подзарядки малым током. Чтобы полность зарядить телефон, требовалось 10 часов и много мощности. В 1991 году компания Sony выпустила первый литий-ионный аккумулятор, который превосходил прошлые по сроку жизни, а также энергетической плотности – зарядка длилась намного быстрее, но недостатки все еще были – огнеопасность и потеря емкости на холоде.

Внешние или портативные аккумуляторы для устройств появились совсем недавно. Это переносные устройства, которые представляют собой емкостной аккумулятор, служащий для передачи заряда портативным гаджетам типа смартфонов, ноутбуков, плееров, планшетов и других. Зарядка осуществляется с помощью USB-провода, а несколько разъемов на различные мощности позволяют выбирать способ зарядки: от стандартной до быстрой. По сути, это просто небольшая и удобная копия аккумулятора.

Зарядка на ходу

Сегодня зарядные устройства и аккумуляторы превзошли ожидания своих прародителей. Томас Эдисон бы удивился, узнав, что аккумуляторы сегодня есть не только в автомобилях, но и в различных девайсах. Но в мире все еще существует проблема небольшой емкости аккумуляторов, их частой смены, а также загрязнения окружающей среды. Научное сообщество все время в поисках альтернативных и дешевых способов получения электроэнергии, в том числе и для зарядки различных устройств.

Ученые кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» вместе с коллегами из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина, РЭУ Плеханова, а также Университета Нигерии представили совершенно новую и экономичную термоячейку на основе углеродной ткани. Модули, состоящие из таких ячеек, смогут преобразовывать тепло в электроэнергию, что позволит в будущем заряжать гаджеты от тепла тела, а автомобили – от бросового тепла. Результаты исследования были опубликованы в международном научном журнале Sustainability.

На сегодняшний день термоэлектричество, то есть прямое преобразование выбросов тепла в электроэнергию, считают самым актуальным, передовым и дешевым направлением развития «зеленой» энергетики, так как это не загрязняет окружающую среду, а также позволяет использовать колоссальные объемы выброса парниковых газов эффективно и неоднократно. Оно работает за счет термоячеек, способных получать энергию от источников, температура которых не превышает 100 градусов Цельсия. Их обычно делают с солевым корпусом и мостиком. Сегодня главный минус таких ячеек – маленькая мощность, а следовательно – небольшая область для применения.

Термоэлектричество работает по принципу эффекта Зеебека. Если в замкнутой цепи из двух разнородных проводников поддерживать места их соединения при разных температурах, то в такой цепи пойдет ток. То есть энергия в такой цепи выделяется благодаря разнице температурных потенциалов, которую можно встретить везде: от нагретого на солнце здания вплоть до человеческого тела. Проще говоря, разность температур двух материалов позволяет электронам мигрировать с «горячей» части на «холодную», производя электроэнергию.

Российские ученые нашли возможность увеличить емкость и эффективность термоячеек. Они модифицировали их с помощью нанесения на поверхность электрода титана и его оксида, а за основу, для самого электрода, взяли углеродную ткань. Дело в том, что для изучаемых электродов сегодня используются углеродные нанотрубки, цена которых достаточно высока: 1 г нанотрубок стоит около 100 рублей, а 1 г углеродной ткани – 7,5 рубля. Затем ячейку заполнили жидким электролитом на основе ферри- и ферроцианида калия. При воздействии тепла такой состав образует восстановительно-окислительные реакции, в которых происходит передача электронов от одних частиц к другим, в результате чего степень окисления атомов, входящих в состав этих частиц, изменяется. Это и приводит к выработке электроэнергии.

Далее термоячейки сравнили с обычной ячейкой с солевым мостиком и корпусом. Улучшенный вариант с оксидом титана повысил мощность термоячейки до 25,2 мВт/кв. м, что в 10-20 раз больше предыдущих показателей. Также эксперимент обеспечил КПД в 1,37%. Сегодня лучший результат по КПД ячеек – около 3% при использовании дорогостоящих углеродных нанотрубок и частиц платины. Это нецелесообразно для масштабного применения.

Работать это открытие будет следующим образом: модули из термоячеек, размером с небольшую монету, будут наноситься на поверхность одежды. Накапливая тепло прямо на вашем теле, модули будут вырабатывать электрический ток, за счет эффекта Зеебека, а также восстановительно-окислительных реакций внутри термоячеек. По сути, будучи в непосредственной близости от постоянного источника тепла в виде человеческого тела, ячейка сможет подзаряжать любые гаджеты. Достаточно лишь удобно разместить модуль на одежде и расположить свой гаджет рядом. Мощности такого модуля хватит не на одну зарядку, а вам не нужно будет каждый раз брать с собой множество устройств для его зарядки.

Что касается автомобилей, то модули будут размещаться на автомобильных аккумуляторах. При выработке двигателем тепла, когда пространство в капоте будет достаточно нагретым, термоячейки также будут «улавливать» тепло и преобразовывать его в ток для подзарядки аккумулятора.

 Сейчас ученые разрабатывают план по дальнейшему совершенствованию термоячеек для увеличения их мощности и улучшения конструкций. Также коллектив исследователей готовится к созданию прототипов устройств на их основе. В перспективе ученые планируют создать электрохимический суперконденсатор, который бы заряжался с помощью простого контакта с нагретыми поверхностями, сохраняя заряд аккумулятора надолго.

Саммари: Российские ученые совместно с коллегами из Нигерии разработали модули для альтернативного способа получения электроэнергии. Новые конструкции термоячеек будут способны улавливать тепло человеческого тела и даже тепловых выбросов автомобиля, преобразовывая их в электроэнергию прямо на ходу. Специалисты МИССиС утверждают, что такой способ обойдется производителям дешевле и экологичнее используемых сегодня материалов.