Што такое гнуткія цвёрдацельныя батарэі?

Група міжнародных навукоўцаў распрацавала новы тып цвёрдацельных акумулятараў, якія могуць павялічыць радыус дзеяння электрамабіляў і прадухіліць пажары ў ноўтбуках і смартфонах. Аўтары апісваюць свае высновы ў Advanced Energy Materials. Замяняючы вадкія электраліты, якія выкарыстоўваюцца ў звычайных акумулятарных батарэях, на «цвёрдыя» керамічныя, яны могуць вырабляць больш эфектыўныя, даўгавечныя батарэі, якія таксама больш бяспечныя для выкарыстання. Даследчыкі спадзяюцца, што гэтыя перавагі могуць пракласці шлях да больш эфектыўных, экалагічным батарэям для ўсіх відаў прылад, уключаючы электрамабілі.

Аўтары даследавання з ЗША і Вялікабрытаніі некаторы час вывучаюць альтэрнатывы вадкім электралітам у літый-іённых батарэях. У 2016 годзе яны абвясцілі аб распрацоўцы цвёрдацельнай батарэі, якая можа працаваць пры напрузе больш чым у два разы больш, чым у звычайных літый-іённых элементаў, але з такой жа эфектыўнасцю.

Нягледзячы на ​​тое, што іх апошняя канструкцыя ўяўляе сабой значнае паляпшэнне ў параўнанні з ранейшай версіяй, даследчык прафесар Дональд Садовэй з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута адзначае, што яшчэ ёсць магчымасці для паляпшэння: «Дасягненне высокай іённай праводнасці ў керамічных матэрыялах пры павышаных тэмпературах можа быць складаным», - растлумачыў ён. «Гэта было прарыўным дасягненнем». Даследнікі спадзяюцца, што пасля выпрабаванняў гэтыя палепшаныя батарэі апынуцца прыдатнымі для электрамабіляў або нават для харчавання самалётаў.

У цвёрдацельных батарэях пашкоджанне з-за перагрэву прадухіляецца выкарыстаннем керамічных электралітаў, а не гаручых, вадкіх. Калі акумулятар пашкоджаны і пачынае перагравацца, а не загараецца керамічны электраліт, што прадухіляе яго загаранне. Поры ў структуры гэтых цвёрдых матэрыялаў таксама дазваляюць ім пераносіць значна больш высокую нагрузку электрычнага зарада з іёнамі, якія рухаюцца праз пашыраную сетку ўнутры цвёрдага цела.

Гэтыя асаблівасці азначаюць, што навукоўцы змаглі падняць як напружанне, так і ёмістасць сваіх батарэй у параўнанні з батарэямі, якія змяшчаюць лёгкаўзгаральныя вадкія электраліты. Фактычна, сказаў прафесар Садовэй: "Мы прадэманстравалі літый-паветраную ячэйку з 12 вольтамі, якая працуе пры тэмпературы 90 градусаў C [194°F]. Гэта вышэй, чым хто-небудзь іншы".

У гэтай новай канструкцыі батарэі ёсць і іншыя патэнцыйныя перавагі перад лёгкаўзгаральнымі электралітамі, у тым ліку той факт, што керамічныя электраліты, як правіла, больш стабільныя, чым арганічныя. "Дзіўна тое, наколькі добра гэта спрацавала", - сказаў прафесар Садовэй. «Мы атрымалі з гэтай камеры больш энергіі, чым уклалі ў яе».

Гэтая стабільнасць можа дазволіць вытворцам спакаваць вялікую колькасць цвёрдацельных элементаў у ноўтбукі або электрамабілі, не турбуючыся аб іх перагрэве, што робіць прылады значна больш бяспечнымі і падаўжае іх функцыянальны тэрмін службы. У цяперашні час, калі такія батарэі пераграваюцца, яны рызыкуюць загарэцца - як нядаўна адбылося з тэлефонам Samsung Galaxy Note 7. Атрыманае полымя не зможа распаўсюджвацца, таму што ўнутры ячэек няма паветра для падтрымання гарэння; сапраўды, яны не змаглі б распаўсюджвацца за межы месца першапачатковага пашкоджання.

Гэтыя цвёрдыя матэрыялы таксама вельмі даўгавечныя; наадварот, некаторыя спробы вырабляць літый-іённыя батарэі з лёгкаўзгаральнымі вадкімі электралітамі, якія працуюць пры больш высокіх тэмпературах (звыш 100°C), звычайна загараюцца пасля 500 або 600 цыклаў. Керамічныя электраліты могуць вытрымліваць больш за 7500 цыклаў зарадкі/разрадкі, не загараючыся».

Новыя высновы могуць быць вельмі значнымі як для пашырэння дыяпазону EV, так і для прадухілення пажараў смартфонаў. Па словах Садовэя: «Старэйшыя пакаленні акумулятараў мелі свінцова-кіслотныя [аўтамабільныя] стартарныя батарэі. У іх быў невялікі запас ходу, але яны былі неверагодна надзейнымі», - сказаў ён, дадаўшы, што іх непрадбачанай слабасцю было тое, што «калі стала горача каля 60°C, то ён бы загарэўся».

Сённяшнія літый-іённыя акумулятары, тлумачыць ён, з'яўляюцца крокам наперад. "Яны маюць вялікі радыус дзеяння, але яны могуць быць пашкоджаны ў выніку моцнага перагрэву і ўзгарання", - сказаў ён, дадаўшы, што новая цвёрдацельная батарэя патэнцыйна з'яўляецца "фундаментальным прарывам", таму што яна можа прывесці да значна больш надзейных і бяспечных прылад.

Навукоўцы з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута мяркуюць, што гэтай тэхналогіі можа спатрэбіцца пяць гадоў, каб яна стала шырока выкарыстоўвацца, але нават у наступным годзе яны спадзяюцца ўбачыць такія батарэі, усталяваныя ў смартфонах буйных вытворцаў, такіх як Samsung або Apple. Яны таксама адзначылі, што акрамя тэлефонаў, у тым ліку ноўтбукі і электрычныя транспартныя сродкі, гэтыя ячэйкі могуць выкарыстоўваць у многіх камерцыйных мэтах.

Аднак прафесар Садовэй папярэджвае, што да ўдасканалення тэхналогіі яшчэ трэба прайсці некаторы шлях. «У нас ёсць ячэйка, якая выглядае сапраўды выдатна, але гэта вельмі рана... Нам яшчэ трэба зрабіць ячэйкі з буйнамаштабнымі электродамі высокай шчыльнасці».

Садовэй лічыць, што гэты прарыў адразу атрымае шырокае прымяненне, таму што ён можа не толькі забяспечваць большы запас ходу, але і патэнцыйна прадухіліць пажары смартфонаў. Магчыма, больш дзіўным з'яўляецца яго прагноз, што цвёрдацельныя батарэі могуць стаць паўсюдна выкарыстоўванымі менш чым за пяць гадоў, калі большасць вытворцаў пераканаюцца ў іх бяспекі і надзейнасці.