Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Классический ГРАФИТОВО-ЦИНКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ: 1 – изолирующая прокладка; 2 – бесшовный цинковый стаканчик (отрицательный электрод); 3 – изолированная металлическая оболочка; 4 – пористый разделительный стаканчик; 5 – графитовый стержень (положительный электрод); 6 – деполяризующая смесь; 7 – пастообразный электролит; 8 – пространство для расширения; 9 – запрессованные прокладки; 10 – полимерный герметик; 11 – металлическая крышка; 12 – изолирующая прокладка; 13 – металлический колпачок.
Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах: Электростатические эффекты разделения зарядов в нанокомпозитах металл (рутений) – оксид (Li2O), J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)
Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах:поведение «ионной жидкости» («шарики» и «ионы»), распределенной в прочной нанопористой непроводящей матрице (обозначено зеленым цветом). (J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)
Различные формы MnO2 для марганец-цинковых батареек (Journal of Solid State Chemistry 179 (2006) 1757–1761)
Уникальные нанотрубки на основе MnO2 для химических источников тока (Adv. Mater. 2005, 17, 2753–2756).
Нанотрубки пентаксида ванадия, полученные гидротермальным методом (Факультет Наук о Материалах МГУ)
Аккумуляторная батарейка фирмы Toshiba, содержащая наночастицы.
Частицы диоксида титана TiO2 различного размера для использования в литий-ионных аккумуляторах нового поколения (Adv. Mater. 2006, 18, 1421–1426).
Аккумулятор Nanosafe, содержащий наночастицы диоксида титана.
Нанопористая структура композита «LiFePO4 - углерод» (Solid State Ionics 176 (2005) 1801 – 1805).
Кристаллическая структура минерала оливина.
Интеркаляция лития в структуру фосфата железа.
Модель американского Белого Дома, «напечатанная» с помощью технологии трехмерной струйной печати с использованием чернил, содержащих высокодисперсные частицы.

Не «Дюраселом» единым…

Ключевые слова:  наноазбука, наноионика, наноматериалы, периодика, химические источники тока

Автор(ы): Д.Семененко (ФНМ МГУ), Е.А.Гудилин (Химфак, ФНМ МГУ)

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

05 апреля 2007

Разработкой химических источников тока (и первичных, «батареек», и вторичных, «аккумуляторов») с использованием наночастиц занимаются явно или неявно уже не один десяток лет. Сейчас этому разделу науки (а точнее, практики), который часто называют наноионикой, посвящены целые разделы конференций, организуются новые фирмы и компании. Это связано, очевидно, с тем, что все более востребованными становятся надежные, долговечные, безопасные и дешевые химические источники тока (ХИТ) для многочисленных устройств микроэлектроники, таких как сотовые телефоны, карманные компьютеры, кардиостимуляторы, устройства «двойного назначения». Мировой рынок таких продуктов превысил в 2006 г. 50 млрд. долларов и чрезвычайно перспективен с точки зрения привлечения инвестиций.

В России направление «наноионики» также начинает развиваться. В начале апреля закончился один из этапов реализации Федеральной Целевой Программой по критическим технологиям развития РФ. По нашим подсчетам, около 10 «свежих» проектов в этой программе так или иначе связаны с исследованием ионного и электронного транспорта в наносистемах. Например, совсем недавно совместный проект по наноионике ("Разработка фундаментальных основ технологии получения нанокристаллических и наноструктурированных материалов с суперионной и смешанной проводимостью для новых поколений химических источников тока"), предложенный Институтом Физической Химии и Электрохимии и Факультетом Наук о Материалах МГУ им.М.В.Ломоносова, был поддержан ФЦП.

Важной целью проекта является создание новых типов энергоемких, высокоэффективных и безопасных портативных источников тока и интегрированных устройств наноионики для преобразования и хранения энергии. Задачи работы достаточно амбициозны: разработка новых методов получения нанокристаллических и наноструктурированных систем с ионной и ионно-электронной проводимостью, фундаментальные исследования структуры и морфологических (микроструктурных) особенностей нанокомпозитов, нанотубуленов и нановискеров с высокой ионной и электронной проводимостью, достижение контролируемого уровня и заданной кросс-корреляции структурно-чувствительных функциональных свойств, разработка научных основ технологий получения гаммы расходных материалов для микропечатной электроники и компьютерного дизайна интегрированных устройств наноионики. Огромное количество проектов по данной тематике традиционно проходит и через Российский Фонд Фундаментальных Исследований.

Развитие новой области знаний о поведении наноразмерных систем с ионной и смешанной проводимостью - наноионики, таким образом, действительно относится к ключевым направлениям современных исследований. С фундаментальной точки зрения представляет значительный интерес разработка новых и оптимизация существующих методов получения таких материалов, а также исследование особенностей ионного и электронного транспорта в таких уникальных системах в зависимости от структуры и микроморфологии используемых наноматериалов. С практической точки зрения, решение основных задач наноионики связано с борьбой за существенное повышение функциональных характеристик суперионных материалов при снижении их себестоимости. Подъем уровня эффективности и конкурентоспособности отечественных электропроизводящих и электропотребляющих отраслей промышленности и транспорта, микроэлектроники, медицины, научных исследований, специальной техники, значительное снижение вредного воздействия на окружающую среду во многом определяются уровнем разработок в области суперионных проводников. Разработка нового поколения электроэнергетического оборудования на базе современных супериоников с повышенными показателями по эффективности, надежности, безопасности, в несколько раз меньшего по массогабаритным показателям по сравнению с традиционным оборудованием, с практически отсутствующим загрязнением окружающей среды позволит создать принципиально недостижимые в традиционном исполнении виды устройств, широко востребованные в прорывных областях современных науки и техники.

Разработка новых «умных» поколений ХИТ основана на том, что свойства ультрадисперсных частиц в существеннейшей степени изменяются по сравнению с объемным телом. И причина этого не только в доступности поверхности и облегчении диффузионных потоков, но и в изменении концентрации дефектов, а главное – в разнообразных «размерных эффектах», которые связаны с тем, что размер частицы становится меньше некоторой критической величины, сопоставимой с так называемой корреляционной длиной или радиусом взаимодействия, характерным для того или иного физического явления. В результате возникают новые закономерности, что проявляется в уникальном физико-химическом и электрохимическом поведении таких наноматериалов.

Переходные элементы, имеющие переменные степени окисления и находящиеся в различных спиновых состояниях в формируемых ими сложных кристаллических структурах, играют важную роль при создании современных функциональных материалов. Одними из наиболее известных адаптивных химических систем, обладающих к тому же широкой распространенностью и низкой стоимостью, малой токсичностью и экологической безопасностью, являются системы Mn-O, Ti-O, V-O (и некоторые другие).

За счет изменения дисперсности самый дешевый и самый известный (еще с 1867 г.!) марганец-цинковый элемент француза Жоржа Лекланше “Zn-MnO2” получает вторую жизнь в виде … всемирно разрекламированной щелочной батарейки Дюраселл! В настоящее время по всему миру сделано большое количество экспериментов, позволяющих получить известный всем диоксид марганца в виде наночастиц, нанопластин, наноусов и даже нанотрубок. Такие материалы работают в батарейках дольше, лучше и, конечно, быстрее перезаряжаются в аккумуляторах, если в них интеркалировать литий.

Так, подобный литий-ионный аккумулятор фирмы Toshiba способен зарядиться на 80% за 60 секунд!. Это значительно быстрее, чем обычные коммерческие литий-ионные аккумуляторы, которым для зарядки требуется от одного до десяти часов. Аккумуляторы с наночастицами теряют только 1% емкости после 1000 циклов зарядка-разрядка, они могут работать при температуре -40°C, при 45°C срок службы начинает сокращаться, но при этом теряется лишь 5% свойств после тысячного цикла. Прототип Toshiba 600mAh разрабатывался с учетом применения с компактными устройствами, размеры его всего 6.2 x 3.5 x 0.4 см.

Еще одна важная черта наночастиц – они не «растрескиваются» и не изменяются при циклировании аккумулятора (в циклах зарядка-разрядка). Раньше считалось, что это явление серьезно ограничивает ресурс обычных химических источников тока, поскольку разрушается или даже химически изменяется электрод, при этом теряется «связность» между отдельными частями электрохимической цепи «батарейки». Другая проблема – электроды могут прорастать друг в друга через разделяющую мембрану («усы» и «дендриты» металлического лития), что приводит к короткому замыканию, иногда – даже к «вскипанию» аккумулятора, как было в недавней истории с изъятием из эксплуатации «ноутбуков» одной очень известной фирмы. Все, аккумулятор можно выбрасывать! При использовании наночастиц в виде «пасты» с тесно контактирующими частицами эти проблемы во многом снимаются. Кроме того, новые литиевые аккумуляторы, выходящие в свет под маркой NanoSafe, среди прочего отличаются и новым материалом для отрицательного электрода, использующего наночастицы так называемых титановых «бронз». Это также позволило существенно повысить срок жизни аккумуляторов. После 15 тысяч циклов глубокого разряда и полной зарядки ёмкость аккумуляторов сохранилась на уровне 85% от первоначального значения. И это при том, что обычные литий-ионные и литий-полимерные батареи имеют жизненный цикл длиной примерно в 300-500 полных циклов заряда и разряда, после чего их ёмкость быстро и существенно падает. Если представить, что батареи NanoSafe появятся на мобильных телефонах, зарядка один раз в три дня будет означать, что аккумулятор проработает 123 года.

В то же время, конечно, возникают и новые «камни преткновения». Например, из-за высокой реакционной способности наночастиц они с удовольствием реагируют с электролитом и вообще со всем, с чем соприкасаются. Однако эту проблему химики успешно решают, если судить по большому числу «свежих» патентов, полученных по этой тематике.

В последнее время все больше систем становятся потенциальными или реальными кандидатами для использования в наноионике. Одна из них – материал состава LiFePO4 со структурой минерала оливина. По словам некоторых разработчитков, срок службы таких аккумуляторов увеличится по сравнению с предыдущими образцами в 10 раз, мощность возрастет в 5 раз, значительно уменьшится время заряда (более 90% емкости через 5 минут). Ожидается, что новинка будет использоваться в различных устройствах, включая электроинструменты, медицинские приборы и гибридные электромобили.

Другие системы, которые упоминаются в литературе в последнее время:

«Вискеры» с туннельной структурой

Ванадиевые бронзы

Микропористые системы оксидов переходных металлов типа

Наноструктурированный диоксид титана

Углеродные нанотрубки

Еще одна важная черта использования наночастиц – возможность создания специальных «чернил» для струйной микропечати плоских батареек и вообще готовых «лабораторий – на - микросхеме» (lab-on-chip). Подробнее об этом (и многом другом) можно посмотреть, например, на сайте Массачусетского Технологического Института (знаменитого MIT).

Экзотические «нано» батарейки (в буквальном смысле «нано» по своим размером) также пытаются создать, но это уже область биомиметики и молекулярной электроники. Так, в Национальной Лаборатории Sandia работают над созданием батареи нано-размеров, которую можно будет имплантировать в человеческий глаз. Эти батареи предназначены для снабжения энергией различных имплантируемых устройств, одним из которых является искусственная сетчатка глаза.

Таким образом, использование наночастиц и нанокомпозитов в химических источниках тока, в том числе тех, что уже гордо пришли на рынок к нам с вами, становится вполне реальным и эффективным. Это один из примеров, когда нанотехнологии действительно выполняют то, что ими обещано и что от них ждут.

Е.А.Гудилин, доктор химических наук, профессор, редактор портала www.nanometer.ru

Д.Семененко, студент 3 курса ФНМ, участник проекта ФЦП по наноионике

Московский Государственный Университет, лаборатория неорганического материаловедения



Средний балл: 9.0 (голосов 5)

 


Комментарии
Это только часть проблем...
Соколов Петр Сергеевич, 10 апреля 2007 11:49 
Хорошая картинка с "Белым Домом"...
как говорится, "дивись народ".
Ничего, Даниил Иткис и не такое в будущем напечатает :-)))
Shvarev Alexey Y, 30 мая 2007 07:40 
Тут появился старый ворчливый электрохимик. Даже бросил писать конспект к лекции пытаясь ответить на вопрос где меня кинули. Давайте внимательно посмотрим на комапнию Алтаирнано(Altairnano). Если бы у меня была такая батарейка то я бы ее немедленно запатентовал и не ТОЛьКО МАТЕРИАЛ а БАТАРЕЮ С ЭЛЕКТРОДОМ поставил бы медведя с ружьем охранять. Смотрим на список патентов: здесь http://www.a...atents.html
есть титанат лития: Process for making lithium titanate (номер 6,890,510 выдан аж два года назад)
НО НЕТ ПАТЕНТА НА БАТАРЕЮ! Вы в это верите? Я нет. Есть куча пиара. Автомобиль показывали Бушу. Он хвалил. Россияне, если вы верите нашему ковбою (про иракское ОМП, у него есть чеки на покупку) то вы поверите и этой компании. Хотя иногда мне Буша жалко когда его все ругают. Внимательно смотрите на график: http://www.a...ml#recharge
где specific energy W h/kg (вертикальная ось) в два раза МЕНьШЕ обычной Li-ion батарейки и равна никель-металгидридной. Они зарубили мощность вдвое! Т.е батарея в ДВА раза ТЯЖЕЛЕЕ обычной литийионки. Итак почему нету патента? В ПАТЕНТЕ НАДО ПОКАЗАТь РЕАЛьНЫЙ РЕЗУЛьТАТ а не туфту, иначе можно поплатиться. Единственный вывод: на оси Ха туфта.
Почитайте вот это, если хотите заведите раздел НАНО-КЛИНИКА и я буду вам охотно переводить статьи подобного рода.
Статья в Форбс: "Beware Of Nano Pretenders" http://www.f...oapbox.html
и до кучи http://www.f...terday.aspx

и вот еще: http://www.f...altair.aspx
итак у нас в Штатах разводят а вы ето покупаете за чистую монету. Грустно, девушки...
Shvarev Alexey Y, 30 мая 2007 07:54 
К слову, ВСЕ американские патенты доступны БЕСПЛАТНО через единую базу данных: www.uspto.gov кликаем поиск и понеслась... Вы всегда можете посмотреть ЧТО в патенте написано. И если защищено одна технология а рекламируется другая то это РАЗВОДИЛОВО.
Shvarev Alexey Y, 30 мая 2007 07:57 
Ссылки внизу первого поста именно на разводилово АЛТАИРНАНО
Трусов Л. А., 30 мая 2007 14:29 
а я и не понимаю, почему в разделе "Публикации" ничего Вашего нет. пора бы уже.
Shvarev Alexey Y, 31 мая 2007 04:56 
Будет. Сами понимаете, требования к литературным (и не только) качествам комментария и публикации немножко разные. Тут грядут несколько свободных деньков вот и займусь.
Shvarev Alexey Y, 01 июня 2007 06:23 
"Nanotechnologies is a fancy name that excites millions of gullible simpletons who believe there's a Golconda behind every rinky-dink, small company in the nano-business."

Malcolm Berko, financial adviser
Advising a reader in his syndicated column: Don't waste nanosecond on Altair http://newso...cle/3058966

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Собственная флуоресценция полимерной тонкой пленки на  металле
Собственная флуоресценция полимерной тонкой пленки на металле

Научно-технические доклады и мастер класс от НТ-МДТ в рамках РКЭМ-2016
Научно-технические доклады и мастер-класс от НТ-МДТ на XXVI Российской конференции по электронной микроскопии (РКЭМ – 2016), которая пройдет в рамках Международного форума «Техноюнити – РКЭМ 2016» с 30.05.2016 по 03.06.2016.

День открытых дверей Сколтеха на площадке Skolkovo Startup Village
«День открытых дверей Сколтеха» пройдет в Инновационном центре «Сколково» 3 июня 2016 года в рамках Skolkovo Startup Village. В этот день Вы также сможете не только познакомиться со Сколтехом, посмотреть лаборатории и поговорить с профессорами, но и принять участие в Skolkovo Startup Village — самой крупной стартап-конференции для технологических предпринимателей в России и странах СНГ.

Российский школьник стал лауреатом "малой Нобелевки" в сфере робототехники
Ученик 11-го класса московского лицея № 1502 при МЭИ Олег Зобов стал лауреатом третьей степени в категории Grand Award, также известной как "малая Нобелевка", на Всемирном смотре-конкурсе научных и инженерных достижений учащихся Intel ISEF

СТО АСМК.021МУ-2015 и добавленная стоимость инноваций: как не споткнуться на рынке интеллектуальной собственности
Зорина Юлия Геннадьевна (эксперт-аудитор по интеллектуальной собственности), Парвулюсов Юрий Юрьевич (вице-президент фонда «ФИНАС»), Розов Денис Викторович (руководитель правового управления оборонного предприятия), Фокин Геннадий Васильевич (председатель технического комитета по стандартизации и депозитарий стандартов профессионального менеджмента интеллектуальной собственности серии «Интеллектуальная собственность и инновации»), +7(495)4904726, +7(985)0234384, +7(916)2050579, gvf@finas.su, www.finas.su
Правовой нигилизм и пренебрежение правовыми нормами гражданского оборота интеллектуальной собственности, искажение учета нематериальных активов (несоответствие первичной документации требованиям пункта 3 ПБУ 14/2007) и отсутствие эффективной системы документооборота менеджмента интеллектуальной собственности — грозят упущенной выгодой и административными, налоговыми, уголовными правонарушениями. Как поправить положение?

Форум тьюторов (1 часть)
Асмолова Екатерина
6 и 7 февраля 2016 года в рамках мероприятий X Всероссийской олимпиады школьников «Нанотехнологии – прорыв в будущее!» проходила Открытая Нанотехнологическая Школа-конференция для школьников, студентов и преподавателей. Представляем Вашему вниманию краткий фототчет Форума Тьюторов.

Сказка о Герицие кораллоподобном
Пасайлюк Мария Васильевна

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.

Проекты или прожекты?

Проектная деятельность школьников становится все более популярной, фактически превращается в "обязаловку" для школ и их воспитанников. При этом, что это такое и как с этим быть, знают не очень многие. Этот небольшой опрос ставит себе целью оценить, как сейчас понимаются вопросы проектной деятельности всеми потенциальными участниками этого непростого процесса.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.