Что такое гибкие твердотельные батареи?

Группа международных ученых разработала твердотельный аккумулятор нового типа, который может увеличить запас хода электромобилей и предотвратить возгорание ноутбуков и смартфонов. Авторы описывают свои выводы в Advanced Energy Materials. Заменив жидкие электролиты, используемые в обычных перезаряжаемых батареях, на «твердые» керамические, они могут производить более эффективные, долговечные батареи, которые также более безопасны в использовании. Исследователи надеются, что эти преимущества могут проложить путь к более эффективным и экологичным батареям для всех видов устройств, включая электромобили.

Авторы исследования из США и Великобритании уже некоторое время изучают альтернативы жидким электролитам в литий-ионных батареях. В 2016 году они объявили о разработке твердотельной батареи, которая может работать при напряжении, вдвое превышающем напряжение обычных литий-ионных элементов, но с аналогичной эффективностью.

Хотя их последняя конструкция представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущей версией, исследователь профессор Дональд Садоуэй из Массачусетского технологического института отмечает, что еще есть возможности для улучшения: «Достижение высокой ионной проводимости в керамических материалах при повышенных температурах может быть затруднено», — пояснил он. «Это было прорывным достижением». Исследователи надеются, что после испытаний эти улучшенные батареи окажутся пригодными для электромобилей или даже самолетов.

В твердотельных батареях повреждение из-за перегрева предотвращается за счет использования керамических электролитов, а не легковоспламеняющихся жидких. Если батарея повреждена и начинает перегреваться, керамический электролит обугливается, а не воспламеняется, что предотвращает возгорание. Поры в структуре этих твердых материалов также позволяют им нести гораздо более высокую нагрузку электрического заряда с ионами, движущимися через протяженную сеть внутри твердого тела.

Эти особенности означают, что ученые смогли повысить как напряжение, так и емкость своих батарей по сравнению с батареями, содержащими легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. На самом деле, сказал профессор Садоуэй: «Мы продемонстрировали литий-воздушный элемент с напряжением 12 вольт, работающий при 90 градусах C [194 ° F]. Это выше, чем кто-либо другой».

Эта новая конструкция батареи имеет и другие потенциальные преимущества перед легковоспламеняющимися электролитами, в том числе тот факт, что керамические электролиты, как правило, более стабильны, чем органические. «Удивительно, насколько хорошо это сработало», — сказал профессор Садоуэй. «Мы получили больше энергии из этой клетки, чем вложили в нее».

Эта стабильность может позволить производителям упаковывать большое количество твердотельных элементов в ноутбуки или электромобили, не беспокоясь об их перегреве, что делает устройства намного более безопасными и продлевает срок их службы. В настоящее время, если такие батареи перегреваются, они рискуют загореться — как это недавно произошло с телефоном Samsung Galaxy Note 7. Возникающее в результате пламя не сможет распространяться, потому что внутри ячеек нет воздуха для поддержания горения; действительно, они не смогли бы распространиться за пределы места первоначального повреждения.

Эти твердые материалы также очень долговечны; напротив, некоторые попытки сделать литий-ионные батареи с легковоспламеняющимися жидкими электролитами, которые работают при более высоких температурах (свыше 100 ° C), обычно загораются после 500 или 600 циклов. Керамические электролиты выдерживают более 7500 циклов заряда/разряда без воспламенения».

Новые результаты могут иметь огромное значение как для расширения диапазона электромобилей, так и для предотвращения возгораний смартфонов. По словам Садовея: «Старые поколения аккумуляторов имели свинцово-кислотные [автомобильные] стартерные аккумуляторы. У них был небольшой запас хода, но они были невероятно надежными», — сказал он, добавив, что их непредвиденная слабость заключалась в том, что «если температура становилась выше 60°C, он бы загорелся».

Он объясняет, что современные литий-ионные батареи — это шаг вперед. «У них большая дальность действия, но они могут быть повреждены сильным перегревом и возгоранием», — сказал он, добавив, что новая твердотельная батарея потенциально является «фундаментальным прорывом», поскольку она может привести к созданию гораздо более надежных и безопасных устройств.

Ученые Массачусетского технологического института считают, что эта технология может получить широкое распространение только через пять лет, но уже в следующем году они надеются увидеть такие аккумуляторы в смартфонах крупных производителей, таких как Samsung или Apple. Они также отметили, что у этих ячеек есть много коммерческих применений помимо телефонов, включая ноутбуки и электромобили.

Однако профессор Садоуэй предупреждает, что до усовершенствования технологии еще далеко. «У нас есть ячейка, которая выглядит действительно превосходно, но это очень ранние дни… Нам еще предстоит сделать ячейки с электродами большой плотности с высокой плотностью мощности».

Садоуэй считает, что этот прорыв сразу же получит широкое распространение, потому что он может не только питать электромобили с гораздо большей дальностью полета, но и потенциально предотвращать возгорание смартфонов. Возможно, более удивительным является его прогноз о том, что твердотельные батареи могут стать повсеместно используемыми менее чем через пять лет, как только большинство производителей убедятся в их безопасности и надежности.