Смартфоните ще работят дни наред с нов тип твърдотелна батерия
(снимка: CC0 Public Domain)
Учените постоянно търсят нови начини за подобряване на ефективността на литиевите батерии, използвани масово в мобилни устройства, а вече и в електромобилите. Един от подходите е замяната на някои от течните компоненти с твърди.
Известни като „твърдотелни батерии”, тези експериментални устройства могат значително да удължат пробега на електрическите превозни средства и живота на мобилните телефони. Сега учени от MIT са постигнали съществен напредък към това бъдеще, демонстрирайки нов тип твърдотелна батерия, която преодолява някои ограничения на досегашния дизайн, пише GreenTech.bg.
При обикновената акумулаторна литиева батерия има течен електролит, който служи като среда, през която се движат литиевите йони напред и назад между анода и катода. Един от проблемите е, че тази течност е силно летлива. Понякога се случва тя да изтече, което може да доведе до пожари – какъвто беше случаят със смартфона Galaxy Note 7 на Samsung.
Замяната на този течен електролит с твърд материал не само би направила батериите по-безопасни и по-малко склонни към пожари, но и би могла да отвори нови възможности за подобрение на други ключови компоненти на батериите. Анодът при днешните литиеви батерии се прави от смес от мед и графит. Но ако бъде направен от чист литий, ще може да се преодолее „тясното място от гледна точка на енергийната плътност на съвременната литиево-йонна химия”, според скорошно проучване, публикувано в „Trends in Chemistry”.
Огромният потенциал на анода от чист литий го прави задача с висок приоритет сред изследователите в областта на батериите. Затова въвеждането на жизнеспособен твърд електролит в практиката се разглежда като крайъгълен камък в усилията за подобряване на съвременните акумулатори.
Но има и значителни препятствия. По време на презареждане на акумулаторите атомите се натрупват вътре в литиевия метал, което го разширява – а по време на разреждане той се свива. Това означава, че при работа с твърдотелен електролит е почти невъзможен постоянният контакт между материалите. Освен това е най-вероятно да се получи разрушаване на електролита.
Именно това е проблемът, който новата архитектура на MIT може да преодолее, казват учените. Тя включва комбинация от твърди материали, известни като „смесени йонно-електронни проводници” (MIEC) и „електронни и литиево-йонни изолатори” (ELI). Те са вградени в триизмерна архитектура с форма на пчелна пита, където масив от нанотръбички, направени от MIEC, образува решаващото парче от пъзела.
Тръбичките се напълват с твърд литиев метал, за да образуват анода на батерията. И тъй като вътре във всяка от тези тръбички има допълнително пространство, литиевият метал има свобода за разширяване и свиване по време на зареждането и разреждането. По този начин материалът е на границата между твърдо и течно вещество, като поведението му наподобява течност, а в същото време поддържа твърда кристална структура през целия процес.
Всичко това се осъществява вътре в структурата на анод, структуриран под формата на пчелна пита, като ELI покрива стените на нанотръбичките и действа като свързващо вещество между тях и твърдия електролит. Това означава, че при зареждането на батерията променящите се размери на литиевия метал изцяло остават „заключени” вътре в конструкцията, а външните размери са непроменени.
Крайният резултат от това е анод на акумулатор, който е химически и механично стабилен, докато преживява множество цикли на зареждане и разреждане. Литият така и не губи електрически контакт с твърдия електролит.
Екипът от учени вижда това като значителен напредък спрямо други експериментални твърдотелни батерии, които обикновено разчитат на някакъв вид течен електролит, смесен с нещо твърдотелно, за да работи системата. „В нашия случай наистина всичко е твърдотелно”, казва Джу Ли, професор по материалознание и инженерство в MIT. „В него няма никаква течност или гел”.
Екипът е провел експерименти, за да тества твърдотелната архитектура на батерията, и съобщава, че тя е успяла да издържи 100 цикъла на зареждане и разреждане без никакви признаци на увреждане. По-нататък технологията ще позволи направата на аноди, които тежат около една четвърт от сегашните, но със същия капацитет за съхранение. В комбинация с други авангардни мерки това ще доведе до възможност смартфоните да със същото тегло и размер, но да се зареждат веднъж на няколко дена.