Kas ir elastīgas cietvielu baterijas?

Starptautisku zinātnieku grupa ir izstrādājusi jauna veida cietvielu akumulatoru, kas varētu palielināt elektrisko transportlīdzekļu diapazonu un novērst aizdegšanos klēpjdatoros un viedtālruņos. Autori savus atklājumus apraksta sadaļā Advanced Energy Materials. Aizstājot šķidros elektrolītus, ko izmanto parastajās uzlādējamās baterijās ar “cietiem”, keramiskiem, tie spēj ražot efektīvākus, ilgmūžīgākus akumulatorus, kas ir arī drošāki lietošanai. Pētnieki cer, ka šīs priekšrocības var pavērt ceļu efektīvākiem, videi nekaitīgākiem akumulatoriem visu veidu ierīcēm, tostarp elektriskajām automašīnām.

Pētījuma autori no ASV un Apvienotās Karalistes jau kādu laiku ir pētījuši alternatīvas šķidrajiem elektrolītiem litija jonu akumulatoros. 2016. gadā viņi paziņoja par cietvielu akumulatora izstrādi, kas varētu darboties ar vairāk nekā divreiz lielāku spriegumu nekā parastajām litija jonu šūnām, taču ar līdzīgu efektivitāti.

Lai gan to jaunākais dizains ir būtisks uzlabojums salīdzinājumā ar šo iepriekšējo versiju, pētnieks profesors Donalds Sadovejs no MIT atzīmē, ka joprojām ir iespējami uzlabojumi: "Var būt grūti sasniegt augstu jonu vadītspēju keramikas materiālos paaugstinātā temperatūrā," viņš paskaidroja. "Tas bija izrāviena sasniegums." Pētnieki cer, ka pēc testēšanas šie uzlabotie akumulatori izrādīsies piemēroti elektriskajiem transportlīdzekļiem vai pat lidmašīnu darbināšanai.

Cietvielu akumulatoru bojājumi pārkaršanas dēļ tiek novērsti, izmantojot keramiskos elektrolītus, nevis viegli uzliesmojošos, šķidros elektrolītus. Ja akumulators ir bojāts un sāk pārkarst, keramikas elektrolīts pārkarst, nevis aizdegas, kas neļauj tam aizdegties. Šo cieto materiālu struktūras poras arī ļauj tiem pārvadāt daudz lielāku elektriskā lādiņa slodzi, joni pārvietojoties pa paplašinātu tīklu cietā vielā.

Šīs īpašības nozīmē, ka zinātnieki ir spējuši paaugstināt gan savu akumulatoru spriegumu, gan kapacitāti salīdzinājumā ar tiem, kas satur viegli uzliesmojošus šķidros elektrolītus. Faktiski profesors Sadovejs sacīja: "Mēs demonstrējām litija-gaisa elementu ar 12 voltiem, kas darbojas 90 ° C [194 ° F] temperatūrā. Tas ir augstāks nekā jebkurš cits."

Šim jaunajam akumulatora dizainam ir citas potenciālas priekšrocības salīdzinājumā ar viegli uzliesmojošiem elektrolītiem, tostarp tas, ka keramikas elektrolīti parasti ir stabilāki nekā organiskie. "Apbrīnojami ir tas, cik labi tas darbojās," sacīja profesors Sadovejs. "Mēs no šīs šūnas ieguvām vairāk enerģijas, nekā tajā ievietojām."

Šī stabilitāte varētu ļaut ražotājiem iepakot lielu skaitu cietvielu elementu klēpjdatoros vai elektriskajos automobiļos, neuztraucoties par to pārkaršanu, padarot ierīces daudz drošākas un pagarinot to funkcionālo mūžu. Pašlaik, ja šāda veida akumulatori pārkarst, tie var aizdegties, kā tas nesen notika ar Samsung Galaxy Note 7 tālruni. Iegūtās liesmas nespētu izplatīties, jo šūnās nav gaisa, kas uzturētu degšanu; patiešām tie nespētu izplatīties ārpus sākotnējā bojājuma vietas.

Šie cietie materiāli ir arī ļoti ilgstoši; turpretim daži mēģinājumi izgatavot litija jonu akumulatorus ar viegli uzliesmojošiem šķidriem elektrolītiem, kas darbojas augstākā temperatūrā (virs 100°C), parasti aizdegas pēc 500 vai 600 cikliem. Keramikas elektrolīti var izturēt vairāk nekā 7500 uzlādes/izlādes ciklus bez aizdegšanās."

Jaunie atklājumi varētu būt ļoti nozīmīgi gan EV diapazona paplašināšanai, gan viedtālruņu aizdegšanās novēršanai. Saskaņā ar Sadoway teikto: "Vecāko paaudžu akumulatoriem bija svina skābes [automašīnu] startera akumulatori. Viņiem bija neliels darbības rādiuss, taču tie bija neticami uzticami," viņš sacīja, piebilstot, ka to neparedzētā vājā puse bija tāda, ka "ja tas kļūst karstāks par aptuveni 60°C, tad tas aizdegtos."

Viņš skaidro, ka mūsdienu litija jonu baterijas ir solis uz priekšu. "Tiem ir liels darbības rādiuss, taču tos var sabojāt spēcīga pārkaršana un aizdegšanās," viņš sacīja, piebilstot, ka jaunais cietvielu akumulators, iespējams, ir "fundamentāls izrāviens", jo tas varētu radīt daudz uzticamākas un drošākas ierīces.

MIT zinātnieki uzskata, ka varētu paiet pieci gadi, lai šī tehnoloģija kļūtu plaši izmantota, taču jau nākamgad viņi cer ieraudzīt šāda veida akumulatorus lielo ražotāju, piemēram, Samsung vai Apple, viedtālruņos. Viņi arī atzīmēja, ka šīm šūnām ir daudz komerciālu lietojumu, izņemot tālruņus, tostarp klēpjdatorus un elektriskos transportlīdzekļus.

Tomēr profesors Sadovejs brīdina, ka vēl ir daudz darāmā, līdz tehnoloģija tiks pilnveidota. "Mums ir šūna, kas izskatās patiešām lieliski, taču tā ir ļoti agrīna diena... Mums vēl ir jāizgatavo šūnas ar liela mēroga lieljaudas blīvuma elektrodiem."

Sadoway uzskata, ka šis sasniegums tiks plaši pieņemts nekavējoties, jo tas var ne tikai uzpildīt EV ar daudz lielāku diapazonu, bet arī potenciāli novērst viedtālruņu aizdegšanos. Iespējams, vēl pārsteidzošāks ir viņa prognozes, ka cietvielu baterijas varētu kļūt plaši izmantotas mazāk nekā piecu gadu laikā, kad lielākā daļa ražotāju būs pārliecināti par to drošību un uzticamību.