В начале XX века на дорогах было больше электромобилей, чем автомобилей с бензиновыми двигателями, а в XXI веке старые идеи вновь привлекают внимание учёных, которые ищут способы улучшить аккумуляторы. Теперь исследователи вернулись к одной из ранних конструкций — никель‑железному аккумулятору, запатентованному Томасом Эдисоном в 1901 году. Международная группа учёных разработала новый никель‑железный гибрид аккумулятора и суперконденсатора, способный заряжаться за секунды и выдерживать более 12 000 циклов зарядки и разрядки. Результаты опубликовали в журнале Small в августе 2025 года.
В начале прошлого века Эдисон искал более надёжную и дешёвую альтернативу свинцово‑кислотному аккумулятору. Однако его никель‑железная батарея так и не получила широкого распространения, поскольку в автомобильной отрасли вскоре победили двигатели внутреннего сгорания.
Исследователи обратились за идеями к природе. В частности, они изучили, как специальные белки помогают животным формировать кости, создавая скопления соединений кальция. Учёные решили выяснить, можно ли использовать похожий принцип для получения крошечных кластеров никеля и железа. Чем меньше такие частицы, тем больше их удельная поверхность для химических реакций, а значит, тем выше могут быть скорость зарядки и производительность устройства.
Для этого соавтор исследования Махер Эль‑Кади и его коллеги использовали бычий сывороточный альбумин как шаблон для формирования нанокластеров железа и никеля. Затем их объединили с оксидом графена, провели гидротермальную обработку и пиролиз с использованием гидроксида калия. В результате нанокластеры металлов и отдельные атомы оказались встроены в пористый углеродный аэрогель на основе белка и графена. Большинство кластеров имело размер менее 5 нанометров, а в некоторых случаях исследователи обнаружили отдельные атомы металла.
Углеродный материал с субнанокластерами железа использовали как отрицательный электрод, а с субнанокластерами никеля — как положительный. Собранное из них гибридное устройство типа «суперконденсатор — аккумулятор» достигло удельной энергии 47 Вт·ч/кг и удельной мощности 18 кВт/кг, сохранив стабильность более чем после 12 000 циклов.
По ёмкости такая система пока уступает литий‑ионным аккумуляторам, которые используют в современных электромобилях. Однако энергетике нужны накопители не только для транспорта. Подобные никель‑железные устройства потенциально могут использоваться для хранения энергии из возобновляемых источников.
По мере развития зелёной энергетики компании всё активнее ищут альтернативные способы хранения избытков электроэнергии. Теперь исследователи работают над улучшением технологии получения нанокластеров и изучают другие материалы. Какая технология хранения энергии в итоге окажется наиболее успешной, пока неясно.
Источник: habr.com