Що таке гнучкі твердотільні батареї?

Група міжнародних вчених розробила новий тип твердотільних акумуляторів, які можуть збільшити запас ходу електромобілів і запобігти пожежі в ноутбуках і смартфонах. Автори описують свої висновки в Advanced Energy Materials. Замінивши рідкі електроліти, що використовуються в звичайних акумуляторних батареях, на «тверді» керамічні, вони можуть виробляти більш ефективні, довготривалі батареї, які також безпечніші у використанні. Дослідники сподіваються, що ці переваги можуть прокласти шлях до більш ефективних, екологічно чистих акумуляторів для всіх видів пристроїв, включаючи електромобілі.

Автори дослідження зі США та Великобританії деякий час досліджують альтернативи рідким електролітам в літій-іонних батареях. У 2016 році вони оголосили про розробку твердотільного акумулятора, який міг би працювати на напрузі більш ніж вдвічі вище, ніж у звичайних літій-іонних елементів, але з такою ж ефективністю.

Незважаючи на те, що їх остання конструкція являє собою значне поліпшення цієї попередньої версії, дослідник професор Дональд Садовей з Массачусетського технологічного інституту зазначає, що ще є можливості для вдосконалення: «Досягнення високої іонної провідності в керамічних матеріалах при підвищених температурах може бути складним», — пояснив він. «Це було проривним досягненням». Дослідники сподіваються, що після тестування ці вдосконалені батареї виявляться придатними для електромобілів або навіть для живлення літаків.

У твердотільних батареях пошкодження через перегрів запобігається використанням керамічних електролітів, а не легкозаймистих рідких. Якщо акумулятор пошкоджений і починає перегріватися керамічний електроліт, а не запалюється, що запобігає його загорянню. Пори в структурі цих твердих матеріалів також дозволяють їм переносити набагато вищі навантаження електричного заряду з іонами, що рухаються через розширену мережу всередині твердого тіла.

Ці особливості означають, що вчені змогли підвищити як напругу, так і ємність своїх акумуляторів у порівнянні з батареями, що містять легкозаймисті рідкі електроліти. Фактично, сказав професор Садовей: «Ми продемонстрували літій-повітряний елемент на 12 вольт, що працює при 90 градусах C [194°F]. Це вище, ніж будь-хто інший».

Ця нова конструкція батареї має інші потенційні переваги перед легкозаймистими електролітами, включаючи той факт, що керамічні електроліти, як правило, більш стабільні, ніж органічні. «Дивовижне те, наскільки добре це працювало», — сказав професор Садовей. «Ми отримали більше енергії з цієї клітини, ніж вкладали в неї».

Ця стабільність може дозволити виробникам упаковувати велику кількість твердотільних елементів у ноутбуки або електромобілі, не турбуючись про те, що вони перегріються, що робить пристрої набагато безпечнішими та подовжуючи їх термін служби. Наразі, якщо такі батареї перегріються, вони ризикують загорітися – як нещодавно сталося з телефоном Samsung Galaxy Note 7. Отримане полум’я не зможе поширюватися, оскільки всередині камер немає повітря для підтримки горіння; справді, вони не зможуть поширитися за межі місця первинного пошкодження.

Ці тверді матеріали також дуже довговічні; навпаки, деякі спроби зробити літій-іонні батареї з легкозаймистими рідкими електролітами, які працюють при більш високих температурах (понад 100°C), зазвичай запалюються після 500 або 600 циклів. Керамічні електроліти можуть витримувати більше 7500 циклів заряду/розряду без загоряння».

Нові висновки можуть бути надзвичайно важливими як для розширення діапазону електромобілів, так і для запобігання пожежам смартфонів. За словами Садовея: «старші покоління акумуляторів мали свинцево-кислотні [автомобільні] стартерні акумулятори. У них був короткий радіус дії, але вони були неймовірно надійними», — сказав він, додавши, що їх непередбачуваною слабкістю було те, що «якщо температура ставала вище приблизно 60°C, тоді воно б загорілося».

Сучасні літій-іонні батареї, пояснює він, є кроком вперед. «Вони мають великий радіус дії, але вони можуть бути пошкоджені внаслідок сильного перегріву та загоряння», – сказав він, додавши, що нова твердотільна батарея потенційно є «фундаментальним проривом», оскільки вона може призвести до набагато надійніших і безпечніших пристроїв.

Вчені з Массачусетського технологічного інституту вважають, що цій технології може знадобитися п’ять років, щоб вона стала широко використовуватися, але вже наступного року вони сподіваються побачити такі типи батарей в смартфонах великих виробників, таких як Samsung або Apple. Вони також відзначили, що, крім телефонів, ці клітини можуть використовуватися в багатьох комерційних цілях, включаючи ноутбуки та електромобілі.

Проте професор Садовей попереджає, що до вдосконалення технології ще попереду. «У нас є осередок, який виглядає справді чудово, але це дуже рано... Нам ще належить створити клітини з великомасштабними електродами високої щільності».

Садовей вважає, що цей прорив відразу ж буде широко прийнятий, оскільки він має потенціал не лише забезпечити електромобілі з набагато більшою дальністю дії, але й потенційно запобігти пожежам смартфонів. Можливо, більш дивним є його прогноз, що твердотільні батареї можуть стати повсюдно використаними менш ніж за п’ять років, як тільки більшість виробників переконаються в їх безпечності та надійності.