Знание-сила, 1997 № 05 (839)

Пластмассовые батарейки

Впервые в мире изготовлена батарейка, целиком состоящая из пластмассы.

Литиевые батарейки, батарейки со ртутью, свинцово-кислотные элементы для стартеров в моторах машин, никелево-кадмиевые батарейки - все они содержат ядовитые металлы, и соблюдать безопасность при работе с ними дело непростое и дорогое. А сбор отработанных батареек еще повышает и без того немалую стоимость.

Все эти печальные свойства такой необходимой вещи побудили Джо Сатера запяться изобретением безвредной батарейки. И, похоже, ему это удалось. В лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса в американском штате Мэриленд, где он трудится, впервые в мире изготовлена целиком пластмассовая батарейка. И хотя до промышленных образцов еще очень далеко, многие владельцы цехов и фабрик уже выстраиваются в очередь, чтобы взглянуть на новорожденное чудо.

Их интересует не только безвредность новой батарейки для окружающей среды. Важно знать, сколько энергии она может запасать в себе, как ее работоспособность зависит от температуры, какое напряжение она выдает и возможно ли ее перезарядить. Похоже, что пластмассовая новинка по многим параметрам превосходит своих ядовитых собратьев. Мало того, впервые в истории батареек им можно будет придавать любую необходимую форму, нужную для слухового аппарата, стереомагнитофона или вживленного в тело микрокомпьютера. После этого перечисления' становится ясно, что промышленники не зря осаждают лабораторию Сатера.

Вообще говоря, в маленькой батарейке идут достаточно сложные физические процессы. Она всегда содержит два электрода, между которыми перемещаются положительные и отрицательные заряды. Фокус состоит в том, что надо заставить ионы передвигаться внутри батареи, чтобы на внешних концах ее электродов создавалась разность потенциалов и она могла выдавать во внешнюю цепь ток, будь то наручные часы или бортовой компьютер космического корабля. Это достигается при помощи электролита — жидкости, где перемещаются ионы.

Каждый из двух электродов выполняет особую функцию. Один порождает электроны — это анод. Его обычно делают из металла, потому что там много свободных электронов. Катод должен, наоборот, поглощать электроны. Его тоже делают из металлов, окислов металлов или их соединений с серой. Электроны уходят с анода и через электрическую цепь доходят до катода, где и поглощаются. Когда батарейка разряжена и происходит обратный процесс зарядки, отрицательные ионы и электроны из раствора электролита собираются на анод.

Возникает простой вопрос: куда же здесь пристроиться пластмассам? Прежде всего они изоляторы и тока не проводят. Оказывается, не все: более двадцати лет химикам известны пластики, проводящие электричество. На молекулярном уровне пластические массы обычно состоят из длинных цепей атомов углерода. Их можно сделать проводниками, только добавив в эти цепи что-то дополнительное.

Тогда может пойти интересный процесс, который на бытовом уровне иллюстрируется такой аналогией.

Представьте себе длинную вереницу автомашин, попавших в пробку. Вдруг одна из них, отчаявшись ждать, выруливает на встречную полосу и отправляется в обратную сторону. В длинной пробке образуется пустое место. На него передвигается следующая машина, на ее место — следующая, «дырка» начинает передвигаться в направлении, противоположном движению машин.

Нечто похожее происходит и в проводящих пластмассах. Если в цепь полипирола, состоящую из углеродных колец, вставить молекулу перхлорида серебра, то в кольце начинает не хватать электрона. Электрон из соседнего кольца перескакивает на место, где его не хватает, и начинается движение «дырки» по цепи полимера. Подобное перемещение ничем не отличается от движения положительного заряда. Можно вставить в кольцо цепи и молекулу с лишним электроном — ион перхлората, к примеру. Тогда начнется перемещение настоящего электрона в обратном направлении.

Полимеры с первой добавкой (нехватка электрона) служат хорошим материалом для катода (который должен поглощать электроны). При этом из полимера легко изготовить пористую поверхность, и, набрав отрицательных ионов при работе, она легко может отдавать их обратно при процессе зарядки, то есть хорошо работает в режиме аккумулятора. В некоторых батареях уже начинают применять такие катоды.

Теперь остается сделать анод, и батарея готова. Однако проблема в том, что для создания анода в нем должен быть избыток электронов. А при добавлении электронов к полимеру он резко теряет прочность.

Сатер разработал свою батарею при помощи коллег из того же университета. Петер Сирсон и Тед Похлер три последних года почти не вылезали из подвального помещения химической лаборатории: они искали полимер, из которого можно сделать анод для будущей батарейки.

Первоначальная идея была — использовать полистиренсульфонат, он остается прочным при добавке электрона. К нему добавляли ионы лития, и он вел себя, как анод. Год назад исследователи сделали первую батарейку с пластмассовым анодом, катодом и полимерным гелем—электролитом. Она выдавала напряжение в один вольт и выдержала более сотни циклов «заряд — разряд», примерно столько, сколько сегодня выдерживают никелево-кадмиевые батарейки.

Основным недостатком было невысокое напряжение, а значит, и малая мощность, которую можно запасать в такой батарейке.

Но довольно скоро Сирсон и Похлер нашли многообещающую альтернативу отброшенному варианту анода — это был полимер политиопен, похожий по своему кольцевому устройству на полипирол. К началу 1996 года им удалось изготовить из пего достаточно прочный анод. Авторы открытия пока не делятся деталями — еще не все запатентовано, но главная находка в том, что они добавляют не литий как источник электронов, а что-то другое.

В июле 1996 года была сделана первая батарейка.

Она может запасать до сорока пяти ватт мощности па килограмм, и это не предел. Для сравнения: у современных никелево-кадмиевых батареек этот показатель не превышает тридцати пяти. Пластмассовую батарейку можно до ста раз разряжать и заряжать, напряжение на ней — около трех вольт, и она прекрасно работает в мороз при минус двадцати и в жару за сорок. Ее тоже не надо выбрасывать, лучше использовать для переработки, но ее токсичность просто не сравнима с литиевыми или кадмиевыми элементами.

Единственный недостаток батарейки — саморазряд: она теряет напряжение на два процента в неделю, тогда как у существующих образцов этот показатель в десять раз меньше. Правда, это небольшой недостаток для тех случаев, когда приходится все равно то и дело подзаряжать батарейку слуховых аппаратов, портативных компьютеров, маленьких магнитофонов, но исследователи стараются понять, в чем дело, и устранить этот единственный недостаток.

Еще одна сложность, которую пришлось преодолевать создателям безвредной батарейки,— водобоязнь. Внутренности се должны быть хорошо изолированы от окружающей влажности, но делать металлический кожух, как в традиционном варианте, они не хотели. А сделать водонепроницаемый полимер оказалось делом нелегким: их молекулы довольно рыхлые и пропускают сквозь себя воду. Пришлось обращаться к специалистам из пищевой индустрии и производителям зубной пасты, они подсказали нужное решение.

Сатер и Сирсон подчеркивают, что их батарейка никогда не сможет превзойти литиевую в способности запасать энергию — девяносто ватт на килограмм, не надо надеяться и на то, что новые батарейки будут легче современных. Но они явно менее вредные, а в будущем этот параметр, несомненно, станет главенствующим.

По материалам зарубежной печати подготовил Александр Семенов.