Kas yra lanksčios kietojo kūno baterijos?

Grupė tarptautinių mokslininkų sukūrė naujo tipo kietojo kūno akumuliatorių, galintį padidinti elektromobilių diapazoną ir išvengti gaisrų nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir išmaniuosiuose telefonuose. Autoriai aprašo savo išvadas „Advanced Energy Materials“. Įprastose įkraunamose baterijose naudojamus skystus elektrolitus pakeitus „kietais“, keraminiais, jie gali pagaminti efektyvesnes, ilgaamžes baterijas, kurios taip pat yra saugesnės. Tyrėjai tikisi, kad šie pranašumai gali padėti sukurti efektyvesnius, ekologiškesnius akumuliatorius visų tipų įrenginiams, įskaitant elektromobilius.

Tyrimo autoriai iš JAV ir JK jau kurį laiką tyrinėjo alternatyvas skystiems elektrolitams ličio jonų akumuliatoriuose. 2016 m. jie paskelbė apie kietojo kūno baterijos, kuri gali veikti daugiau nei dvigubai didesne įtampa nei įprasti ličio jonų elementai, kūrimą, tačiau panašaus efektyvumo.

Nors naujausias jų dizainas yra reikšmingas šios ankstesnės versijos patobulinimas, mokslininkas profesorius Donaldas Sadoway iš MIT pažymi, kad dar yra kur tobulėti: „Gali būti sunku pasiekti aukštą keraminių medžiagų joninį laidumą aukštesnėje temperatūroje“, – paaiškino jis. „Tai buvo proveržis. Tyrėjai tikisi, kad išbandžius šios patobulintos baterijos bus tinkamos elektrinėms transporto priemonėms ar net varomiems lėktuvams.

Kietojo kūno akumuliatorių sugadinimo dėl perkaitimo išvengiama naudojant keraminius elektrolitus, o ne degius, skystus. Jei akumuliatorius yra pažeistas ir pradeda perkaisti, keraminis elektrolitas susikartoja, o ne užsidega, o tai neleidžia jam užsidegti. Šių kietųjų medžiagų struktūroje esančios poros taip pat leidžia joms atlikti daug didesnę elektros krūvio apkrovą, kai jonai juda išplėstu tinklu kietoje medžiagoje.

Šios savybės reiškia, kad mokslininkai sugebėjo padidinti savo baterijų įtampą ir talpą, palyginti su baterijomis, kuriose yra degių skystų elektrolitų. Tiesą sakant, sakė profesorius Sadoway: "Mes pademonstravome ličio-oro elementą su 12 voltų, veikiančią 90 laipsnių C [194 °F] temperatūroje. Tai yra daugiau nei bet kas kitas."

Šis naujas akumuliatoriaus dizainas turi kitų galimų pranašumų, palyginti su degiaisiais elektrolitais, įskaitant tai, kad keraminiai elektrolitai paprastai yra stabilesni nei organiniai. „Nuostabus dalykas yra tai, kaip gerai tai veikė“, – sakė profesorius Sadoway. "Iš šios ląstelės gavome daugiau energijos, nei į ją įdėjome."

Šis stabilumas leistų gamintojams supakuoti daugybę kietojo kūno elementų į nešiojamuosius kompiuterius ar elektromobilius, nesijaudindami, kad jie perkais, todėl įrenginiai taps daug saugesni ir pailgės jų veikimo laikas. Šiuo metu, jei tokio tipo baterijos perkaista, jos gali užsidegti – kaip neseniai nutiko su Samsung Galaxy Note 7 telefonu. Susidariusios liepsnos negalėtų plisti, nes elementų viduje nėra oro, kuris palaikytų degimą; iš tikrųjų jie negalėtų išplisti už pradinės žalos vietos.

Šios kietos medžiagos taip pat yra labai ilgaamžės; priešingai, kai kurie bandymai gaminti ličio jonų baterijas su degiais skystais elektrolitais, kurios veikia aukštesnėje temperatūroje (virš 100°C), paprastai užsidega po 500 ar 600 ciklų. Keraminiai elektrolitai gali atlaikyti daugiau nei 7500 įkrovimo / iškrovimo ciklų neužsidegdami.

Naujos išvados gali būti labai reikšmingos tiek plečiant elektromobilių asortimentą, tiek užkertant kelią išmaniųjų telefonų gaisrams. Anot Sadoway: „Senesnės kartos akumuliatoriai turėjo švino rūgšties [automobilių] starterių baterijas. Jų veikimo nuotolis buvo mažas, bet jie buvo neįtikėtinai patikimi“, – sakė jis ir pridūrė, kad jų nenumatyta silpnybė buvo ta, kad „jei temperatūra pakils daugiau nei 60°C, tada tai užsidegtų“.

Jis aiškina, kad šiandieninės ličio jonų baterijos yra žingsnis į priekį. „Jų veikimo nuotolis yra ilgas, tačiau gali būti sugadintas dėl stipraus perkaitimo ir užsiliepsnojimo“, – sakė jis ir pridūrė, kad naujoji kietojo kūno baterija gali būti „fundamentalus proveržis“, nes gali sukurti daug patikimesnius ir saugesnius įrenginius.

MIT mokslininkai mano, kad gali prireikti penkerių metų, kol ši technologija taps plačiai naudojama, tačiau net jau kitais metais jie tikisi, kad tokių baterijų bus įdiegta į didelių gamintojų, tokių kaip Samsung ar Apple, išmaniuosius telefonus. Jie taip pat pažymėjo, kad be telefonų, įskaitant nešiojamuosius kompiuterius ir elektra varomas transporto priemones, šie elementai naudojami daug komercinių.

Tačiau profesorius Sadoway perspėja, kad dar reikia nuveikti, kol technologija bus ištobulinta. "Mes turime elementą, kuris atrodo tikrai puikiai, bet tai labai ankstyvos dienos... Dar turime pagaminti elementus su didelio masto, didelio galingumo tankio elektrodais."

Sadoway'us mano, kad šis proveržis bus plačiai pritaikytas nedelsiant, nes jis gali ne tik padidinti elektromobilių kurą daug didesniu nuotoliu, bet ir užkirsti kelią išmaniųjų telefonų gaisrams. Galbūt labiau stebina jo prognozė, kad kietojo kūno akumuliatoriai gali tapti visuotinai naudojami greičiau nei per penkerius metus, kai dauguma gamintojų įsitikins jų saugumu ir patikimumu.