Какво представляват гъвкавите твърдотелни батерии?

Група международни учени разработиха нов тип твърда батерия, която може да увеличи обхвата на електрическите превозни средства и да предотврати пожари в лаптопи и смартфони. Авторите описват своите открития в Advanced Energy Materials. Като заменят течните електролити, използвани в конвенционалните акумулаторни батерии, с „твърди“, керамични, те са в състояние да произвеждат по-ефективни, дълготрайни батерии, които също са по-безопасни за употреба. Изследователите се надяват, че тези предимства могат да проправят пътя за по-ефективни, по-екологични батерии за всички видове устройства, включително електрически автомобили.

Авторите на изследването от САЩ и Обединеното кралство от известно време проучват алтернативи на течните електролити в литиево-йонните батерии. През 2016 г. те обявиха разработването на твърда батерия, която може да работи при над два пъти по-високо напрежение от конвенционалните литиево-йонни клетки, но с подобна ефективност.

Докато последният им дизайн представлява значително подобрение на тази по-ранна версия, изследователят професор Доналд Садовей от MIT отбелязва, че все още има място за подобрение: „Постигането на висока йонна проводимост в керамични материали при повишени температури може да бъде трудно“, обясни той. "Това беше революционно постижение." Изследователите се надяват, че след тестване тези подобрени батерии ще се окажат подходящи за електрически превозни средства или дори за захранване на самолети.

При батериите в твърдо състояние повредата поради прегряване се предотвратява чрез използване на керамични електролити, а не на запалими, течни. Ако батерията е повредена и започне да прегрява керамичния електролит, вместо да се запали, което не позволява да се запали. Порите в структурата на тези твърди материали също им позволяват да носят много по-голямо натоварване от електрически заряд с йони, движещи се през разширена мрежа в твърдото вещество.

Тези характеристики означават, че учените са успели да повишат както напрежението, така и капацитета на своите батерии в сравнение с тези, съдържащи запалими течни електролити. Всъщност, каза професор Садоуей: "Ние демонстрирахме литиево-въздушна клетка с 12 волта, работеща при 90 градуса C [194°F]. Това е по-високо, отколкото всеки друг е постигнал."

Този нов дизайн на батерията има други потенциални предимства пред запалимите електролити, включително факта, че керамичните електролити като цяло са по-стабилни от органичните. „Удивителното е колко добре работи“, каза професор Садоуей. „Извличаме повече енергия от тази клетка, отколкото влагаме в нея.

Тази стабилност може да позволи на производителите да опаковат голям брой твърдотелни клетки в лаптопи или електрически автомобили, без да се притесняват, че ще прегреят, което прави устройствата много по-безопасни и удължава техния функционален живот. В момента, ако тези видове батерии се прегреят, те рискуват да се запалят – както наскоро се случи с телефона Samsung Galaxy Note 7. Получените пламъци не биха могли да се разпространят, тъй като в клетките няма въздух, който да поддържа горенето; всъщност те не биха могли да се разпространят извън мястото на първоначалната повреда.

Тези твърди материали също са много дълготрайни; За разлика от тях, някои опити за създаване на литиево-йонни батерии със запалими течни електролити, които работят при по-високи температури (над 100°C), рутинно се запалват след 500 или 600 цикъла. Керамичните електролити могат да издържат на повече от 7500 цикъла на зареждане/разреждане, без да се запалят."

Новите открития могат да бъдат изключително важни както за разширяване на обхвата на електромобилите, така и за предотвратяване на пожари от смартфони. Според Садоуей: „По-старите поколения батерии имаха оловно-киселинни (автомобилни) стартерни батерии. Имаха малък обхват, но бяха невероятно надеждни“, каза той, добавяйки, че тяхната непредвидена слабост е, че „ако стане по-горещо от около 60°C, тогава щеше да се запали."

Днешните литиево-йонни батерии, обяснява той, са стъпка напред от това. „Те имат дълъг обхват, но могат да бъдат повредени от силно прегряване и запалване“, каза той, добавяйки, че новата твърда батерия е потенциално „фундаментален пробив“, защото може да доведе до много по-надеждни и по-безопасни устройства.

Учените от MIT смятат, че тази технология може да отнеме пет години, за да стане широко използвана, но дори още през следващата година се надяват да видят тези видове батерии, монтирани в смартфони от големи производители като Samsung или Apple. Те също така отбелязаха, че има много търговски приложения за тези клетки освен телефони, включително лаптопи и електрически превозни средства.

Професор Садовей обаче предупреждава, че все още има път, преди технологията да бъде усъвършенствана. "Имаме клетка, която изглежда наистина страхотно, но е много рано... Все още не сме направили клетки с широкомащабни електроди с висока плътност на мощността."

Садоуей вярва, че този пробив ще бъде широко възприет незабавно, защото има потенциал не само да захранва електромобилите с много по-голям обхват, но и потенциално да предотврати пожари на смартфони. Може би по-изненадващо е прогнозата му, че твърдотелните батерии могат да станат универсално използвани за по-малко от пет години, след като повечето производители се убедят в тяхната безопасност и надеждност.