რა არის მოქნილი მყარი მდგომარეობის ბატარეები?

საერთაშორისო მეცნიერთა ჯგუფმა შეიმუშავა ახალი ტიპის მყარი მდგომარეობის ბატარეა, რომელსაც შეუძლია გაზარდოს ელექტრო მანქანების დიაპაზონი და თავიდან აიცილოს ხანძარი ლეპტოპებსა და სმარტფონებში. ავტორები აღწერენ თავიანთ აღმოჩენებს Advanced Energy Materials-ში. ჩვეულებრივი მრავალჯერადი დატენვის ბატარეებში გამოყენებული თხევადი ელექტროლიტების „მყარი“ კერამიკული ბატარეებით ჩანაცვლებით მათ შეუძლიათ შექმნან უფრო ეფექტური, გრძელვადიანი ბატარეები, რომლებიც ასევე უფრო უსაფრთხოა გამოსაყენებლად. მკვლევარები იმედოვნებენ, რომ ამ უპირატესობებს შეუძლიათ გზა გაუხსნან უფრო ეფექტური, მწვანე ბატარეებისთვის ყველა სახის მოწყობილობისთვის, ელექტრო მანქანების ჩათვლით.

კვლევის ავტორები, აშშ-დან და დიდი ბრიტანეთიდან, გარკვეული პერიოდის განმავლობაში იკვლევდნენ თხევადი ელექტროლიტების ალტერნატივებს ლითიუმის იონურ ბატარეებში. 2016 წელს მათ გამოაცხადეს მყარი მდგომარეობის ბატარეის შემუშავება, რომელსაც შეუძლია იმუშაოს ორჯერ მეტი ძაბვით ვიდრე ჩვეულებრივი ლითიუმის იონური უჯრედები, მაგრამ მსგავსი ეფექტურობით.

მიუხედავად იმისა, რომ მათი უახლესი დიზაინი წარმოადგენს მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას ამ ადრინდელ ვერსიასთან შედარებით, მკვლევარი პროფესორი დონალდ სადოუეი MIT-დან აღნიშნავს, რომ ჯერ კიდევ არსებობს გაუმჯობესების ადგილი: „ამაღლებულ ტემპერატურაზე კერამიკულ მასალებში მაღალი იონური გამტარობის მიღწევა შეიძლება რთული იყოს“, განმარტა მან. "ეს გარღვევა იყო." მკვლევარები იმედოვნებენ, რომ ტესტირების შემდეგ ეს გაუმჯობესებული ბატარეები შესაფერისი იქნება ელექტრო მანქანებისთვის ან თუნდაც თვითმფრინავებისთვის.

მყარ მდგომარეობაში ბატარეებში გადახურების შედეგად დაზიანების თავიდან აცილება ხდება კერამიკული ელექტროლიტების გამოყენებით, ვიდრე აალებადი, თხევადი. თუ ბატარეა დაზიანებულია და იწყებს კერამიკული ელექტროლიტის ნაკაწრების გადახურებას და არა აალებას, რაც ხელს უშლის მას ხანძრის გაჩენას. ამ მყარი მასალების სტრუქტურაში არსებული ფორები ასევე საშუალებას აძლევს მათ გაატარონ ელექტრული მუხტის გაცილებით მაღალი დატვირთვა იონებით, რომლებიც მოძრაობენ გაფართოებულ ქსელში მყარში.

ეს მახასიათებლები ნიშნავს, რომ მეცნიერებმა შეძლეს თავიანთი ბატარეების ძაბვისა და ტევადობის ამაღლება აალებადი თხევადი ელექტროლიტების შემცველ ბატარეებთან შედარებით. სინამდვილეში, თქვა პროფესორმა სადოუეიმ: „ჩვენ ვაჩვენეთ ლითიუმ-ჰაერის უჯრედი 12 ვოლტით, რომელიც მუშაობს 90 გრადუსზე C [194°F]. ეს იმაზე მაღალია, ვიდრე ვინმემ მიაღწია“.

ბატარეის ამ ახალ დიზაინს აქვს სხვა პოტენციური უპირატესობა აალებადი ელექტროლიტებთან შედარებით, მათ შორის ის ფაქტი, რომ კერამიკული ელექტროლიტები ზოგადად უფრო სტაბილურია, ვიდრე ორგანული. ”საოცარი ის არის, თუ რამდენად კარგად მუშაობდა იგი”, - თქვა პროფესორმა სედოვეიმ. „ამ უჯრედიდან უფრო მეტი ენერგია მივიღეთ, ვიდრე მასში ჩავდეთ“.

ეს სტაბილურობა მწარმოებლებს საშუალებას მისცემს შეაგროვონ დიდი რაოდენობით მყარი უჯრედები ლეპტოპებში ან ელექტრო მანქანებში მათი გადახურებაზე ფიქრის გარეშე, რაც მოწყობილობას უფრო უსაფრთხოს გახდის და ახანგრძლივებს მათ ფუნქციურ სიცოცხლეს. ამჟამად, თუ ამ ტიპის ბატარეები ზედმეტად გაცხელდება, მათ ცეცხლის გაჩენის რისკი ემუქრებათ - როგორც ეს ახლახან მოხდა Samsung Galaxy Note 7 ტელეფონთან. შედეგად წარმოქმნილი ალი ვერ გავრცელდება, რადგან უჯრედების შიგნით არ არის ჰაერი, რომელიც წვას შეინარჩუნებს; მართლაც, ისინი ვერ შეძლებდნენ გავრცელდნენ საწყისი დაზიანების ადგილის მიღმა.

ეს მყარი მასალები ასევე ძალიან გრძელვადიანია; ამის საპირისპიროდ, ზოგიერთი მცდელობა, შექმნან ლითიუმ-იონური ბატარეები აალებადი თხევადი ელექტროლიტებით, რომლებიც მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (100°C-ზე მეტი) 500 ან 600 ციკლის შემდეგ რეგულარულად იკიდებენ ცეცხლს. კერამიკული ელექტროლიტები უძლებენ 7500-ზე მეტ დამუხტვის/გამორთვის ციკლს ხანძრის გაჩენის გარეშე."

ახალი აღმოჩენები შეიძლება იყოს ძალიან მნიშვნელოვანი როგორც ელექტრომობილების დიაპაზონის გაფართოებისთვის, ასევე სმარტფონების ხანძრის თავიდან ასაცილებლად. Sadoway-ის მიხედვით: „ძველი თაობის ბატარეებს ჰქონდათ ტყვიის მჟავა [მანქანის] დამწყებ ბატარეები. მათ ჰქონდათ მცირე დიაპაზონი, მაგრამ ისინი წარმოუდგენლად სანდო იყვნენ“, თქვა მან და დასძინა, რომ მათი გაუთვალისწინებელი სისუსტე იყო ის, რომ „თუ 60°C-ზე მეტი გაცხელდა, მაშინ ცეცხლს დაიკიდებდა“.

მისი განმარტებით, დღევანდელი ლითიუმ-იონური ბატარეები ამისგან წინ გადადგმული ნაბიჯია. „მათ დიდი მანძილი აქვთ, მაგრამ შეიძლება დაზიანდეს ძლიერი გადახურებით და ხანძრის გაჩენით“, თქვა მან და დასძინა, რომ ახალი მყარი მდგომარეობის ბატარეა პოტენციურად „ძირითადი გარღვევაა“, რადგან მას შეუძლია ბევრად უფრო საიმედო და უსაფრთხო მოწყობილობების შექმნა.

MIT-ის მეცნიერები ფიქრობენ, რომ ამ ტექნოლოგიის ფართო გამოყენებას შეიძლება ხუთი წელი დასჭირდეს, მაგრამ უკვე მომავალ წელს ისინი იმედოვნებენ, რომ დაინახავენ ამ ტიპის ბატარეებს სმარტფონებში მსხვილი მწარმოებლებისგან, როგორიცაა Samsung ან Apple. მათ ასევე აღნიშნეს, რომ ტელეფონების გარდა, ამ უჯრედებისთვის ბევრი კომერციული გამოყენებაა, მათ შორის ლეპტოპები და ელექტრო მანქანები.

თუმცა პროფესორი სადოუეი გვაფრთხილებს, რომ ტექნოლოგიის სრულყოფამდე ჯერ კიდევ არის გასავლელი. "ჩვენ მივიღეთ უჯრედი, რომელიც მართლაც შესანიშნავად გამოიყურება, მაგრამ ჯერ კიდევ ძალიან ადრეა... ჩვენ ჯერ კიდევ არ უნდა შევქმნათ უჯრედები დიდი მასშტაბის, მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივის ელექტროდებით."

Sadoway-ს სჯერა, რომ ეს გარღვევა დაუყოვნებლივ იქნება ფართოდ მიღებული, რადგან მას აქვს პოტენციალი არა მხოლოდ მოხმარდეს ელექტრო მანქანებს ბევრად უფრო დიდი დიაპაზონით, არამედ პოტენციურად თავიდან აიცილოს სმარტფონების გაჩენა. ალბათ უფრო გასაკვირია მისი პროგნოზი, რომ მყარი მდგომარეობის ბატარეები შეიძლება გახდეს საყოველთაოდ გამოყენებული ხუთ წელზე ნაკლებ დროში, როდესაც მწარმოებლების უმეტესობა დარწმუნდება მათ უსაფრთხოებაში და საიმედოობაში.