Czym są elastyczne baterie półprzewodnikowe?

Grupa międzynarodowych naukowców opracowała nowy typ baterii półprzewodnikowej, która może zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych i zapobiegać pożarom laptopów i smartfonów. Autorzy opisują swoje odkrycia w Advanced Energy Materials. Zastępując płynne elektrolity stosowane w konwencjonalnych akumulatorach „stałymi”, ceramicznymi, są w stanie wyprodukować bardziej wydajne, trwalsze akumulatory, które są również bezpieczniejsze w użyciu. Naukowcy mają nadzieję, że te zalety mogą utorować drogę do wydajniejszych, bardziej ekologicznych baterii do wszelkiego rodzaju urządzeń, w tym samochodów elektrycznych.

Autorzy badania z USA i Wielkiej Brytanii od jakiegoś czasu badają alternatywy dla płynnych elektrolitów w akumulatorach litowo-jonowych. W 2016 roku ogłosili opracowanie akumulatora półprzewodnikowego, który mógłby działać przy napięciu ponad dwukrotnie wyższym niż konwencjonalne ogniwa litowo-jonowe, ale z podobną wydajnością.

Podczas gdy ich najnowszy projekt stanowi znaczne ulepszenie w stosunku do wcześniejszej wersji, profesor Donald Sadoway z MIT zauważa, że ​​wciąż jest miejsce na ulepszenia: „Osiągnięcie wysokiej przewodności jonowej w materiałach ceramicznych w podwyższonych temperaturach może być trudne” – wyjaśnił. „To było przełomowe osiągnięcie”. Naukowcy mają nadzieję, że po przetestowaniu ulepszone akumulatory sprawdzą się w pojazdach elektrycznych, a nawet w samolotach.

W przypadku akumulatorów półprzewodnikowych uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem zapobiega się, stosując elektrolity ceramiczne zamiast łatwopalnych, płynnych. Jeśli bateria jest uszkodzona i zaczyna się przegrzewać, zamiast zapalać się ceramiczny elektrolit, co zapobiega jego zapaleniu. Pory w strukturze tych materiałów stałych umożliwiają im również przenoszenie znacznie większego ładunku elektrycznego z jonami poruszającymi się po rozszerzonej sieci w ciele stałym.

Cechy te oznaczają, że naukowcom udało się podnieść zarówno napięcie, jak i pojemność akumulatorów w porównaniu z akumulatorami zawierającymi łatwopalne płynne elektrolity. W rzeczywistości, jak powiedział profesor Sadoway: „Zademonstrowaliśmy ogniwo litowo-powietrzne o napięciu 12 woltów, działające w temperaturze 90 stopni Celsjusza [194 ° F]. To więcej niż ktokolwiek inny osiągnął”.

Ta nowa konstrukcja akumulatora ma inne potencjalne zalety w porównaniu z palnymi elektrolitami, w tym fakt, że elektrolity ceramiczne są ogólnie bardziej stabilne niż elektrolity organiczne. „Zdumiewające jest to, jak dobrze to działa” – powiedział profesor Sadoway. „Z tej komórki wydobyliśmy więcej energii, niż w nią włożyliśmy”.

Ta stabilność może umożliwić producentom pakowanie dużej liczby ogniw półprzewodnikowych do laptopów lub samochodów elektrycznych bez obawy o ich przegrzanie, co znacznie zwiększy bezpieczeństwo urządzeń i wydłuży ich żywotność. Obecnie, jeśli tego typu baterie się przegrzeją, mogą się zapalić – tak jak ostatnio miało to miejsce w przypadku telefonu Samsung Galaxy Note 7. Powstałe płomienie nie mogłyby się rozprzestrzeniać, ponieważ wewnątrz komórek nie ma powietrza, które podtrzymałoby spalanie; w rzeczywistości nie byłyby w stanie rozprzestrzenić się poza miejsce początkowego uszkodzenia.

Te solidne materiały są również bardzo trwałe; w przeciwieństwie do tego, niektóre próby wytwarzania akumulatorów litowo-jonowych z łatwopalnymi ciekłymi elektrolitami, które działają w wyższych temperaturach (powyżej 100°C), rutynowo zapalają się po 500 lub 600 cyklach. Elektrolity ceramiczne mogą wytrzymać ponad 7500 cykli ładowania/rozładowania bez zapalenia się."

Nowe odkrycia mogą mieć ogromne znaczenie zarówno dla rozszerzenia zasięgu pojazdów elektrycznych, jak i zapobiegania pożarom smartfonów. Według Sadowaya: „Starsze generacje akumulatorów miały akumulatory rozruchowe kwasowo-ołowiowe [samochodowe]. Miały one krótki zasięg, ale były niewiarygodnie niezawodne”, powiedział, dodając, że ich nieprzewidzianą słabością było to, że „jeśli zrobiło się cieplej niż około 60 ° C, to zapali się”.

Wyjaśnia, że ​​dzisiejsze baterie litowo-jonowe są krokiem naprzód. „Mają duży zasięg, ale mogą zostać uszkodzone w wyniku poważnego przegrzania i zapalenia”, powiedział, dodając, że nowa bateria półprzewodnikowa jest potencjalnie „fundamentalnym przełomem”, ponieważ może prowadzić do znacznie bardziej niezawodnych i bezpieczniejszych urządzeń.

Naukowcy z MIT uważają, że ta technologia może potrwać pięć lat, zanim stanie się powszechnie stosowana, ale już w przyszłym roku mają nadzieję, że tego rodzaju baterie będą montowane w smartfonach dużych producentów, takich jak Samsung czy Apple. Zauważyli również, że istnieje wiele zastosowań komercyjnych tych komórek poza telefonami, w tym laptopy i pojazdy elektryczne.

Profesor Sadoway ostrzega jednak, że jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim technologia zostanie udoskonalona. „Mamy ogniwo, które wygląda naprawdę znakomicie, ale to dopiero początek… Musimy jeszcze wyprodukować ogniwa z elektrodami o dużej skali i dużej gęstości mocy”.

Sadoway uważa, że ​​ten przełom zostanie natychmiast szeroko przyjęty, ponieważ może on nie tylko zasilać pojazdy elektryczne o znacznie większym zasięgu, ale także potencjalnie zapobiegać pożarom smartfonów. Być może bardziej zaskakująca jest jego prognoza, że ​​baterie półprzewodnikowe mogą stać się powszechnie stosowane w ciągu mniej niż pięciu lat, gdy większość producentów będzie przekonana o ich bezpieczeństwie i niezawodności.