Людям не слишком много нужно от аккумуляторов: обеспечивать электричество тогда, когда в нём есть необходимость; быстро перезаряжаться; и не воспламеняться.
Череда самовозгораний сотовых телефонов в 2016 году породила среди потребителей недоверие к литий-ионным батареям, появление которых в своё время позволило обеспечить бурное развитие современной портативной электроники, несмотря на то, что с 1980-х, когда данная технология была анонсирована, она так и не избавилась от проблем, связанных с безопасностью.
Учитывая рост интереса к электромобилям, учёные и промышленные гиганты находятся в поисках оптимальной технологии перезаряжаемых батарей, способных безопасно и надёжно питать автомобили, дроны, роботы и прочие устройства нового поколения.
Новое исследование, проведённое в университете Корнелла, делает шаг вперёд в области твердотельных батарей — технологии, изначально более безопасной и обладающей большей энергоёмкостью в сравнении с нынешними литий-ионными батареями, работающими на основе горючего жидкого электролита, в котором химическая энергия молекулярных связей переходит в электрическую.
Исследователи берут жидкие электролиты, превращают их в твёрдые полимеры внутри электрохимической ячейки, при этом используют преимущества свойств как жидкого, так и твёрдого состояний для того, чтобы обойти ключевые ограничения, характерные для текущих конструкций батарей.
Руководитель исследования Цин Чжао сравнивает новую концепцию батареи со стаканом, наполненным кубиками льда, в котором часть льда контактирует со стеклом, но в то же время между кубиками существуют пустоты. Он говорит, что новая концепция напоминает этот же стакан, наполненный водой и замороженный, но при этом обеспечивается прочный контакт между твёрдой поверхностью и жидким содержимым. В батарее подобное решение способствует быстрой передаче ионов по твёрдым поверхностям электрода батареи в электролит без необходимости применения горючей жидкости.
Ключевой особенностью является введение особых молекул, способных инициировать процесс полимеризации внутри электрохимической ячейки без влияния на другие функции ячейки. Если молекула электролита представляет собой циклический эфир, то молекула-инициатор может быть сконструирована таким образом, чтобы она была способна разрывать эти кольца, создавая нити, сохраняющие способность к вступлению в реакцию. Эти нити, связываемые между собой в длинные цепочки молекул, имеют тот же состав, что и цикличный эфир, и теперь этот — уже твёрдый — полимер сохраняет плотное соединение с металлическими поверхностями, подобно льду в стакане.
Помимо того, что твердотельные электролиты увеличивают безопасность батарей, они также актуальны для разработки батарей следующего поколения, в которых применяются металлы, включая литий и алюминий, в качестве анодов для достижения более высоких показателей плотности энергии, чем это доступно современным батареям. В этом случае твердотельный электролит предотвращает формирование дендритов на металлических контактах, способных привести к короткому замыканию, перегреву и выходу батареи из строя.
Несмотря на видимые преимущества твердотельных аккумуляторов, попытки их производства в промышленных масштабах заканчиваются неудачей. Высокие производственные издержки и убогие интерфейсные возможности являются серьёзными техническими препятствиями. Кроме того, твердотельные системы не нуждаются в охлаждении батареи, благодаря стабильным температурным значениям.
Старший автор исследования, профессор Линден Арчер из Школы химических и биомолекулярных разработок Смита, говорит, что их разработки открывают совершенно новый путь к созданию твердотельных батарей, предназначенных для применения в различных устройствах. Он считает, что новая технология интересна ещё и тем, что она открывает перспективы создания металлических батарей с высокой плотностью энергии с увеличенным жизненным циклом и способностями к перезарядке.
Арчер говорит, что их технология на сегодня подходит для литий-ионных батарей, обеспечивая им большую безопасность, и помимо этого открывает возможности для создания батарей будущего.