Kaj so fleksibilne polprevodniške baterije?

Skupina mednarodnih znanstvenikov je razvila novo vrsto polprevodniške baterije, ki bi lahko povečala doseg električnih vozil in preprečila požare v prenosnih računalnikih in pametnih telefonih. Avtorji opisujejo svoje ugotovitve v Advanced Energy Materials. Z zamenjavo tekočih elektrolitov, ki se uporabljajo v običajnih baterijah za ponovno polnjenje, s "trdnimi", keramičnimi, lahko proizvedejo učinkovitejše, dolgotrajnejše baterije, ki so tudi varnejše za uporabo. Raziskovalci upajo, da lahko te prednosti utrejo pot učinkovitejšim, bolj zelenim baterijam za vse vrste naprav, vključno z električnimi avtomobili.

Avtorji študije iz ZDA in Združenega kraljestva že nekaj časa raziskujejo alternative tekočim elektrolitom v litij-ionskih baterijah. Leta 2016 so napovedali razvoj polprevodniške baterije, ki bi lahko delovala pri več kot dvakratni napetosti od običajnih litij-ionskih celic, vendar s podobno učinkovitostjo.

Medtem ko njihova najnovejša zasnova predstavlja znatno izboljšanje te prejšnje različice, raziskovalec profesor Donald Sadoway z MIT ugotavlja, da je še vedno prostor za izboljšave: "Doseganje visoke ionske prevodnosti v keramičnih materialih pri povišanih temperaturah je lahko težko," je pojasnil. "To je bil prebojni dosežek." Raziskovalci upajo, da se bodo te izboljšane baterije po testiranju izkazale za primerne za električna vozila ali celo za pogon letal.

V trdnih baterijah se poškodbe zaradi pregrevanja preprečijo z uporabo keramičnih elektrolitov namesto vnetljivih tekočih. Če je baterija poškodovana in se začne pregrevati keramični elektrolit, namesto da bi se vžgal, kar preprečuje, da bi se vžgal. Pore ​​v strukturi teh trdnih materialov jim omogočajo tudi, da prenašajo veliko večjo obremenitev električnega naboja z ioni, ki se premikajo skozi razširjeno mrežo znotraj trdne snovi.

Te značilnosti pomenijo, da so znanstveniki lahko dvignili tako napetost kot kapacitivnost svojih baterij v primerjavi s tistimi, ki vsebujejo vnetljive tekoče elektrolite. Pravzaprav je dejal profesor Sadoway: "Pokazali smo litij-zračno celico z 12 volti, ki deluje pri 90 stopinjah C [194°F]. To je višje, kot je dosegel kdorkoli drug."

Ta nova zasnova baterije ima druge potencialne prednosti pred vnetljivimi elektroliti, vključno z dejstvom, da so keramični elektroliti na splošno bolj stabilni kot organski. "Neverjetno je, kako dobro je delovalo," je dejal profesor Sadoway. "Iz te celice smo dobili več energije, kot smo jo vložili vanjo."

Ta stabilnost bi lahko proizvajalcem omogočila, da zapakirajo veliko število polprevodniških celic v prenosne računalnike ali električne avtomobile, ne da bi jim bilo treba skrbeti, da se bodo pregrevali, zaradi česar so naprave veliko varnejše in podaljšajo njihovo funkcionalno življenjsko dobo. Trenutno, če se te vrste baterij pregrejejo, tvegajo, da se vnamejo – kot se je nedavno zgodilo s telefonom Samsung Galaxy Note 7. Nastali plameni se ne bi mogli razširiti, ker v celicah ni zraka, ki bi vzdrževal izgorevanje; dejansko se ne bi mogli razširiti preko mesta začetne škode.

Ti trdni materiali so tudi zelo dolgotrajni; v nasprotju s tem se nekateri poskusi izdelave litij-ionskih baterij z vnetljivimi tekočimi elektroliti, ki delujejo pri višjih temperaturah (nad 100°C), rutinsko vnamejo po 500 ali 600 ciklih. Keramični elektroliti lahko prenesejo več kot 7500 ciklov polnjenja/praznjenja, ne da bi se vžgali."

Nove ugotovitve bi lahko bile zelo pomembne tako za razširitev obsega električnih vozil kot za preprečevanje požarov pametnih telefonov. Kot pravi Sadoway: "Starejše generacije akumulatorjev so imele svinčeve (avtomobilske) zaganjalne baterije. Imele so kratek doseg, vendar so bile neverjetno zanesljive," je dejal in dodal, da je njihova nepredvidena slabost ta, da "če je postalo vroče od približno 60°C, potem zagorelo bi."

Današnje litij-ionske baterije, pojasnjuje, so korak naprej od tega. "Imajo velik doseg, vendar se lahko poškodujejo zaradi močnega pregrevanja in vnetja," je dejal in dodal, da je nova polprevodniška baterija potencialno "temeljni preboj", saj bi lahko vodila do veliko bolj zanesljivih in varnejših naprav.

Znanstveniki na MIT menijo, da bi lahko trajalo pet let, da bi ta tehnologija postala široko uporabljena, vendar že naslednje leto upajo, da bodo te vrste baterij vgrajene v pametne telefone velikih proizvajalcev, kot sta Samsung ali Apple. Opozorili so tudi, da obstaja veliko komercialnih uporab za te celice poleg telefonov, vključno s prenosniki in električnimi vozili.

Vendar profesor Sadoway opozarja, da je še nekaj poti, preden se tehnologija izpopolni. "Imamo celico, ki izgleda res odlično, vendar je to zelo zgodaj ... Še nismo izdelali celic z velikimi elektrodami z visoko gostoto."

Sadoway verjame, da bo ta preboj nemudoma široko sprejet, saj lahko ne le oskrbi EV z veliko večjim dosegom, ampak tudi potencialno prepreči požare pametnih telefonov. Morda je bolj presenetljiva njegova napoved, da bi lahko polprevodniške baterije postale univerzalne v manj kot petih letih, ko bo večina proizvajalcev prepričana v njihovo varnost in zanesljivost.