Физики построили прозрачные литиевые батареи

Для воплощения фантастических прогнозов о гибкой и прозрачной карманной электронике, необходимо, чтобы свет проходил сквозь все компоненты устройства, начиная с экрана и заканчивая аккумуляторами. Именно последние и удалось сделать прозрачными специалистам из Стэндфорда.

Новая батарея уступает обычным литиевым равного размера в мощности и ёмкости, но зато может похвастать прозрачностью, открывающей новые возможности для дизайнеров. Кроме того, прозрачные аккумуляторы пригодятся в исследованиях, ведь тут можно напрямую наблюдать за процессами, идущими в ходе заряда и разряда (кадр Stanford University).

Как и его экспериментальные японские предшественники, новый аккумулятор в качестве основы использует тонкую полимерную плёнку. В данном случае — полидиметилсилоксан (PDMS). Но этот полимер не проводит ток, а значит нужно было нарастить проводящий слой.

Но помимо контактов и электродов в обычной литиевой батарее имеется немало других компонентов, непрозрачных для света. Авторы новой технологии сумели обойти все эти препятствия, заменив, где можно, непрозрачные детали на пропускающие свет, а где это было невозможно — просто уменьшив толщину компонентов.

«Если что-то меньше, чем 50 микрометров, вашим глазам покажется, что предмет прозрачен», — объясняет Юань Ян (Yuan Yang), автор идеи прозрачного литиевого аккумулятора и один из создателей этой батареи.

Юань Ян демонстрирует один из первых образцов новинки (фото L. A. Cicero).

Итак, исследователи взяли PDMS, расплавили его и залили в кремниевую формочку, для создания рядов неглубоких канавок, шириной всего 35 микрометров (это меньше предела разрешения человеческого зрения).

В эти углубления были последовательно добавлены пары металла, которые сконденсировались в тонкие (незаметные на глаз) проводящие дорожки, а ещё учёные добавили туда же несколько капель активных веществ, необходимых для формирования электродов.

Между двумя слоями таких электродов Юань поместил электролит-гель, но тоже не вполне обычный. Учёный модифицировал его так, что тот смог выполнять сразу и функцию электролита, и сепаратора.

Схема батареи и её снимки под микроскопом (иллюстрации Yuan Yang et al.).

Один такой бутерброд из геля, тончайших проводников и полимерных стенок представляет собой единичную батарейку. Для повышения мощности устройства можно сложить вместе несколько подобных ячеек.

Тесты показали, что один литиевый сэндвич обладает прозрачностью в видимом свете в 62%. Но даже три слоя-батарейки, наложенные друг на друга, продемонстрировали суммарное светопропускание в 60%.

Плотность упаковки энергии в новых батареях уступает классическим литиевым и может быть сопоставима с никель-кадмиевыми (авторы сообщают о 10 ватт-часах на литр объёма, включая упаковку). При этом дальнейшие опыты, уверены в Стэнфордском университете, помогут улучшить удельные показатели таких аккумуляторов.

В серийном производстве, по оценке создателей, прозрачные литиевые аккумуляторы окажутся не дороже обычных литиево-ионных батарей.

(Детали работы изложены в пресс-релизе университета и статье в PNAS.)