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. Така се ражда „твърдотелната“ батерия.
Известни като „твърдотелни батерии”, тези експериментални устройства могат значително да удължат живота на мобилните устройства и на автомобилите. Сега учени от MIT са постигнали съществен напредък към това бъдеще. Тя демонстрира нов тип твърдотелна батерия, която преодолява някои ограничения на досегашния дизайн, пише GreenTech.bg.
Различното в „твърдотелната“ батерия
При обикновената акумулаторна литиева батерия има течен електролит, който служи като среда. През не 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 би направила батериите по-безопасни и по-малко склонни към пожари. Дори 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. Ако бъде направен от чист литий, ще може да се преодолее „тясното място на енергийната плътност на съвременната литиево-йонна химия”.
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.
Проблеми
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.
Как работи?
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, като ELI покрива стените на нанотръбичките. То 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. 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 батерия, 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.
