Для некоторых применений классические аккумуляторы оказываются слишком тяжёлыми и не эффективными, например, для роботов или устройств Интернета вещей. На этот случай учёные предложили систему питания, которая буквально поглощает металл из окружения, а для химических реакций с ним использует кислород из воздуха. Плотность энергии таких батарей оказывается до 13 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.
Идея «вывернуть» аккумулятор наизнанку ― превратить в анод металл во внешней среде и использовать кислород из воздуха ― пришла в голову команде исследователей из Университета Пенсильвании. Свою разработку они назвали метало-воздушным мусорщиком (MAS). Конструкция системы питания MAS по-прежнему имеет компоновку классической батареи, включая катод, анод и электролит. Но главная хитрость в том, что анодом будет любая металлическая поверхность, по которой эта система будет передвигаться.
Катод батареи выполнен из углерода и покрыт политетрафторэтиленом (ПТФЭ) с вкраплениями нанобусинок из платины. Электролит представляет собой гидрогель, содержащий соленую воду (система должна содержать резервуар с солёной водой, которая расходуется по мере движения устройства по металлической поверхности). При движении батарейной конструкции по металлической поверхности происходит окисление металла (анода) и восстановительная реакция в катоде с привлечением кислорода из окружающего воздуха. Иначе говоря, идут те же реакции, что в обычном аккумуляторе.
«У нашей MAS плотность мощности в 10 раз выше, чем у лучших харвестеров [систем по добыче энергии из окружающей среды, — прим. ред.], и мы можем конкурировать с батареями, ― сказал Джеймс Пикуль, ведущий исследователь проекта. — Система использует химию батареи, но не имеет соответствующего веса, потому что берет химические вещества из окружающей среды».
«Плотность энергии — это отношение доступной энергии к весу, который необходимо нести, ― говорит Пикуль. — Даже принимая во внимание вес дополнительной воды, MAS имеет в 13 раз большую плотность энергии чем у литий-ионного аккумулятора, потому что транспортное средство несло только гидрогель и катод, а не металл или кислород, которые обеспечивали выработку энергии».
В процесс движения питающей системы по металлу возникает слой ржавчины, но он не толще 100 микрон и не ведёт к существенным структурным повреждениям. Одним из применений подобной системы может быть питание датчиков на транспортных контейнерах. Наконец, воду для электролита можно добывать из воздуха, повышая автономность подобных систем питания.
