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.