Техніка працюватиме довше: вчені зробили прорив у галузі твердотільних батарей

Група дослідників з кафедри машинобудування та аерокосмічної техніки Центру енергетики та навколишнього середовища імені Андлінгера з'ясувала, як можна створити новий тип батареї, так званої безанодної твердотільної батареї, яка подолає обмеження літій-іонних акумуляторів. Про це пише Tech Xplore.

Як зазначають у виданні, літій-іонні акумулятори живлять більшість сучасних пристроїв. Однак попит на енергію зростає, через що виникає потреба в більш потужних батареях. Як альтернативу розглядають твердотільні акумулятори.

"Якщо ми зможемо успішно впровадити ці перспективні батареї, ми зможемо досягти щільності енергії, яка неможлива зі звичайними батареями. Це означало б, що ваш ноутбук і ваш телефон працюватимуть довше на одному заряді. Це могло б дозволити електромобілям проїжджати понад 500 миль на одному заряді", — зазначила керівниця дослідницької групи Келсі Хатцелл.

Порівняно з літій-іонними, твердотільні акумулятори відрізняються на двох фундаментальних рівнях. По-перше, тоді як електроліт у літій-іонних батареях є рідиною, електроліт у твердотільному акумуляторі, як випливає з його назви, є твердою речовиною.

Твердотільні батареї можуть зберігати більше енергії в меншому просторі, ніж літій-іонні батареї. Вони також можуть працювати з високою продуктивністю в ширшому діапазоні температур і обіцяють більшу довговічність, ніж літій-іонні аналоги.

По-друге, твердотільні акумулятори, над якими працювала команда Хатцелл, є безанодними. Це означає, що негативний електрод було видалено. Замість цього іони течуть від позитивного катода безпосередньо до струмознімача на протилежному кінці батареї. Потім іони осідають на самому струмознімачі, утворюючи тонкий металевий шар у міру зарядки батареї. Видалення анода робить батарею дешевшою і компактнішою.

"Якби ви могли зібрати батарею без літій-металевого анода, ви б значно скоротили витрати, використовуючи наявні виробничі процеси", — стверджує провідний дослідник.

Вважається, що твердотільні батареї можуть зробити революцію в технології зберігання енергії, але на практиці вони стикаються з безліччю проблем. Головна проблема — забезпечення хорошого контакту між твердим електролітом і струмознімачем. Це гарантує, що в міру того, як іони проходять через електроліт, вони рівномірно осідають на струмознімачі, коли батарея заряджається, і рівномірно відриваються від струмознімача, коли вона розряджається.

На відміну від рідких електролітів у традиційних батареях, які можуть легко змінювати форму, тверді електроліти жорсткі. Таким чином, будь-які дефекти або нерівності на поверхні електроліту або струмознімача в твердотільній батареї негативно впливають на якість контакту між двома компонентами.

Команда Хатцелл виявила, що як низький, так і високий тиск не покращує контакт, а призводить до виходу батарей з ладу, але з різних причин — або надто слабкий, або надто сильний контакт між електролітом і струмознімачем. За словами вчених, це дає нове уявлення про кращі способи виготовлення та експлуатації твердотільних батарей без анода.

"Святим Граалем у цій царині стане з'ясування того, як підтримувати міцний контакт за низького тиску, оскільки виготовлення бездефектного електроліту практично неможливе. Якщо ми хочемо реалізувати потенціал цих батарей, нам потрібно вирішити проблему контакту", — підсумувала професор Хатцелла.

У рамках іншого дослідження, команда Хатцелл досліджувала спосіб досягнення такого контакту. Дослідники продемонстрували, що можна домогтися більш рівномірного іонного осадження і видалення шляхом нанесення тонкого покриття між струмознімачем і електролітом для поліпшення перенесення іонів.

Вчені протестували кілька таких покриттів, званих прошарками, щоб вивчити, як їхня структура і склад впливають на розподіл іонів під час зарядки. У результаті вони виявили, що проміжні шари, виготовлені з наночастинок вуглецю і срібла, найкраще підходять для досягнення рівномірного осадження металу. Срібло утворює сплави з іонами під час заряду і розряду батареї, що дає змогу рівномірно наносити покриття і знімати його зі струмознімача.

Команда також виявила, що розмір наночастинок срібла має значення. Прошарки з більшими, 200-нанометровими частинками срібла утворювали веретеноподібні, нерівні металеві структури на струмознімачі. Своєю чергою прошарки з більш дрібними, 50-нанометровими частинками срібла підтримують більш щільні та однорідні структури.

"Завдання полягає в тому, щоб усього за кілька років перейти від досліджень до реального застосування", — зазначила професорка Гатцелл.

Нагадаємо, вчені з Університету Лестера розробили технологію, яка дає змогу витягувати цінні метали з відпрацьованих акумуляторів за допомогою наноемульсій, створених зі слідів рослинної олії у воді.