USP разрабатывает функциональную 3-вольтовую батарею на основе ниобия

Университет Сан-Паулу (USP) разработал функциональную батарею из ниобия, которая достигает 3 вольт, является перезаряжаемой, работает в реальных условиях — вне идеальных лабораторных условий — и уже находится на стадии промышленных испытаний. По данным Института физики Сан-Карлоса при USP, разработка батареи началась десять лет назад под руководством профессора Франка Креспильо из Института химии Сан-Карлоса (IQSC USP), руководителя Группы по биоэлектрохимии и интерфейсам USP и исследователя Национального института органической электроники и устойчивости (INCT), расположенного в Институте физики Сан-Карлоса (IFSC USP). Исследователю удалось решить главную проблему при создании батареи на основе ниобия, а именно разложение металла в обычных электрохимических средах, особенно в присутствии воды и кислорода. Он обнаружил, как контролировать химическую среду для стабилизации ниобия. «Я уже знал, что природа решила эту проблему миллиарды лет назад», — отмечает Креспильо. «В биологических системах, таких как ферменты и металлопротеины, высокореактивные металлы постоянно меняют свое электронное состояние, не разлагаясь, потому что они работают в очень хорошо контролируемых химических средах». Исследователь объясняет, что группа создала интеллектуальный защитный кожух для ниобия. «Этот кожух называется NB-RAM [Niobium Redox Active Medium]. Внутри нее переключатель [ниобий] может контролируемо менять уровень несколько раз, не разрушаясь. Именно это и делают биологические системы, и именно это мы адаптировали для ниобиевой батареи». Большая часть прогресса в области ниобиевых батарей является результатом работы, проделанной исследователем из USP Луаной Итальяно, которая посвятила два года усовершенствованию системы до достижения стабильности и воспроизводимости. Процесс включал в себя десятки экспериментальных версий с последовательными корректировками химической среды и механизмов защиты активного материала. «Недостаточно было заставить батарею работать один раз. В течение двух лет работы над проектом мы сосредоточились на обеспечении стабильности, повторяемости и точного контроля параметров», — подчеркивает Луана. По словам исследователя, главной задачей было найти баланс между защитой системы и поддержанием ее электрических характеристик. «Если защищать слишком сильно, батарея не будет выдавать энергию. Если защитить ее недостаточно, она разлагается». В результате система стала стабильно работать не только в лабораторных условиях, но и в архитектурах, близких к тем, которые используются в промышленности. «Это система, которая уже работает в реальных условиях», — говорит исследователь. Технология, которая уже имеет рабочий прототип, была запатентована USP. Разработанная ниобиевая батарея достигла напряжения 3 вольта, что соответствует диапазону напряжения большинства современных коммерческих батарей. Батарея уже была протестирована в стандартных промышленных форматах, таких как монетные элементы и гибкие ламинированные элементы, в сотрудничестве с исследователем Хадсоном Занином из Государственного университета Кампинаса (Unicamp). В этих системах батарея заряжалась и разряжалась несколько раз, демонстрируя доказательство концепции в контролируемых условиях. По словам Креспильо, для перехода к заключительной фазе разработки батареи необходимо создать мультимодальный центр исследований и инноваций с участием государственных и федеральных органов власти, университетов и технологических стартапов. «Разработанная в USP ниобиевая батарея показывает, что Бразилия не только может экспортировать ресурсы, но и может лидировать в области технологий, при условии, что наука будет рассматриваться как национальный приоритет», — сказал он.