Иілгіш қатты күйдегі батареялар дегеніміз не?

Бір топ халықаралық ғалымдар электромобильдердің диапазонын арттырып, ноутбуктер мен смартфондардағы өрттің алдын алатын қатты денелі аккумулятордың жаңа түрін жасап шығарды. Авторлар өз нәтижелерін Advanced Energy Materials бөлімінде сипаттайды. Кәдімгі қайта зарядталатын батареяларда қолданылатын сұйық электролиттерді «қатты» керамикалық батареяларға ауыстыру арқылы олар тиімдірек, ұзақ қызмет ететін және пайдалану үшін қауіпсіз батареяларды шығара алады. Зерттеушілер бұл артықшылықтар электр машиналарын қоса алғанда, құрылғылардың барлық түрлері үшін тиімдірек, жасыл батареяларға жол ашады деп үміттенеді.

АҚШ пен Ұлыбританиядан келген зерттеу авторлары біраз уақыттан бері литий-ионды аккумуляторлардағы сұйық электролиттердің баламаларын зерттеді. 2016 жылы олар кәдімгі литий-иондық элементтерден екі есе жоғары кернеуде жұмыс істей алатын, бірақ тиімділігі ұқсас қатты күйдегі аккумулятордың әзірленгенін жариялады.

Олардың соңғы дизайны осы бұрынғы нұсқаның айтарлықтай жақсарғанын білдірсе де, MIT зерттеушісі, профессор Дональд Садоуэй әлі де жақсартуға мүмкіндік бар екенін атап өтті: «Жоғары температурада керамикалық материалдарда жоғары иондық өткізгіштікке қол жеткізу қиын болуы мүмкін», - деп түсіндірді ол. «Бұл серпінді жетістік болды». Зерттеушілер бұл жақсартылған батареяларды сынақтан өткізгеннен кейін электр көліктеріне немесе тіпті ұшақтарға жарамды болады деп үміттенеді.

Қатты күйдегі аккумуляторларда қызып кетуден болатын зақымдануды тұтанғыш сұйық емес, керамикалық электролиттерді қолдану арқылы болдырмауға болады. Егер аккумулятор зақымдалған болса және керамикалық электролиттердің отын тұтанудың орнына қызып кете бастаса, бұл оның өртенуіне жол бермейді. Бұл қатты материалдардың құрылымындағы кеуектер оларға қатты дененің ішіндегі кеңейтілген желі арқылы қозғалатын иондармен электр зарядының әлдеқайда жоғары жүктемесін көтеруге мүмкіндік береді.

Бұл мүмкіндіктер ғалымдардың жанғыш сұйық электролиттері бар батареялармен салыстырғанда олардың батареяларының кернеуі мен сыйымдылығын арттыра алғанын білдіреді. Профессор Садоуэй: «Біз 12 вольтты 90 градус C [194°F] температурада жұмыс істейтін литий-ауа ұяшығын көрсеттік. Бұл басқалардың қол жеткізген көрсеткіштерінен жоғары», - деді.

Бұл жаңа батарея дизайны жанғыш электролиттермен салыстырғанда басқа ықтимал артықшылықтарға ие, соның ішінде керамикалық электролиттердің әдетте органикалықтарға қарағанда тұрақтылығы. «Таңғажайып нәрсе - оның қаншалықты жақсы жұмыс істегені», - деді профессор Садоуэй. «Біз бұл жасушадан оған жұмсағанымызға қарағанда көбірек энергия алдық».

Бұл тұрақтылық өндірушілерге қатты күйдегі ұяшықтардың көп санын ноутбуктерге немесе электр машиналарына олардың қызып кетуіне алаңдамай-ақ жинауға мүмкіндік береді, бұл құрылғыларды әлдеқайда қауіпсіз етеді және олардың қызмет ету мерзімін ұзартады. Қазіргі уақытта мұндай батареялар қызып кетсе, олардың өртену қаупі бар - бұл жақында Samsung Galaxy Note 7 телефонында болғандай. Пайда болған жалын тарай алмайды, өйткені жасушалардың ішінде жануды қамтамасыз ететін ауа жоқ; шын мәнінде, олар бастапқы зақымдану орнынан тыс тарай алмайды.

Бұл қатты материалдар да өте ұзақ қызмет етеді; керісінше, жоғары температурада (100°C жоғары) жұмыс істейтін жанғыш сұйық электролиттері бар литий-ионды батареяларды жасау әрекеттері 500 немесе 600 циклден кейін әдеттегідей жанып кетеді. Керамикалық электролиттер 7500-ден астам зарядтау/разряд циклдеріне отсыз төтеп бере алады».

Жаңа тұжырымдар электрлік көліктердің ауқымын кеңейту үшін де, смартфондардағы өрттердің алдын алу үшін де өте маңызды болуы мүмкін. Садоуэйдің айтуынша: «Батареялардың ескі буындарында қорғасын қышқылы [автокөлік] стартерлік батареялары болды. Олардың диапазоны қысқа болды, бірақ олар керемет сенімді болды», - деді ол олардың күтпеген әлсіздігі «егер ол шамамен 60 ° C-тан жоғарырақ болса, онда ол отқа оранады».

Оның айтуынша, бүгінгі литий-иондық батареялар осыдан бір саты жоғары. «Олардың ауқымы ұзақ, бірақ олар қатты қызып кетуден және өрттен зақымдалуы мүмкін», - деді ол жаңа қатты күйдегі батарея ықтимал «іргелі серпіліс» болып табылады, өйткені бұл әлдеқайда сенімді, қауіпсіз құрылғыларға әкелуі мүмкін.

MIT ғалымдары бұл технологияны кеңінен қолдану үшін бес жыл қажет болуы мүмкін деп санайды, бірақ келесі жылдың өзінде олар Samsung немесе Apple сияқты ірі өндірушілердің смартфондарында осындай батареяларды көреміз деп үміттенеді. Сондай-ақ олар телефондардан басқа, ноутбуктер мен электр көліктерін қоса алғанда, бұл ұяшықтардың көптеген коммерциялық мақсаттары бар екенін атап өтті.

Дегенмен, профессор Садоуэй технология жетілдірілмейінше әлі де біраз жол бар екенін ескертеді. «Бізде өте жақсы көрінетін жасуша бар, бірақ бұл өте ерте күндер... Бізде әлі үлкен масштабты, жоғары қуатты тығыздықтағы электродтары бар жасушалар жасау керек».

Садоуэй бұл серпіліс бірден кеңінен қабылданады деп есептейді, өйткені ол әлдеқайда үлкен диапазондағы EV-ді жанармай ғана емес, сонымен қатар смартфондағы өрттердің алдын алу мүмкіндігіне ие. Көптеген өндірушілер олардың қауіпсіздігі мен сенімділігіне көз жеткізгеннен кейін қатты күйдегі батареяларды бес жылдан аз уақыт ішінде әмбебап пайдалануға болатыны туралы оның болжамы таңқаларлық.