Екип от учени от Калифорнийския университет в Бъркли (UC Berkeley) е постигнал напредък в създаването на безопасна литиева батерия. Сегашните литиеви батерии са особено податливи на риск от пожар при повреда – проблем, който е отстранен в новата разработка. Нещо повече, създадената от изследователите батерия може да се разтяга, огъва и дори да претърпява частично пробиване без последствия – всичко, което е необходимо за развитието на роботиката.

Предишните разработки в тази област не можеха да се похвалят с дълъг живот и голям брой цикли на зареждане. Батерията на учените от UC Berkeley е преодоляла тези и други ограничения, като е демонстрирала в прототип, че може да издържи поне 500 цикъла на зареждане.

Това е приблизително същият брой цикли, на които обещават да издържат днешните масово произвеждани литиево-йонни батерии.

В процеса на създаване на батерия, устойчива на тежки физически въздействия, изследователите са се справили с две основни предизвикателства. Първо, батерията не трябвало да съдържа токсични материали. Второ, структурата на електролита е трябвало да запази собствената си форма – ако това определение е подходящо за електролит под формата на „желе“. Учените се справят и с двете предизвикателства, въпреки че не всичко се получава перфектно.

„Съвременните батерии се нуждаят от твърда обвивка, тъй като електролитът, използван в тях е взривоопасен. Ние искахме да създадем батерия, която може да се използва безопасно без твърда обвивка. За съжаление гъвкавите обвивки, изработени от полимери или други гъвкави материали могат лесно да пропуснат въздух или вода, като реагират със стандартните електролити, генерирайки много топлина и потенциално водейки до пожари и експлозии. Ето защо през 2017 година започнахме да експериментираме с квазитвърди хидрогелни електролити.“

обясняват учените

Тъй като не е имало готово решение, изследователите са изпробвали много съединения, преди да постигнат надеждни молекулни връзки в електролита, като същевременно поддържат приемлива йонна проводимост. По-специално, работното напрежение на батерията е повишено до 3 V или дори малко по-високо, докато преди това квазитвърдите хидрогелни електролити ограничаваха тази стойност до около 1,2 V, което е недостатъчно за практически приложения.

Новият електролит се основава на т.нар. цвитерионни (zwitterionic) полимери – клас макромолекули, съдържащи както положително, така и отрицателно заредени групи в главните или страничните вериги. Тези заряди са близо един до друг и често се неутрализират взаимно, за да образуват молекули с обща електрическа неутралност. В батериите такъв полимер използва „положителните си страни“, за да се свърже с молекулите на водата, а отрицателния си заряд – за да привлече литиевите йони.

Експериментите показват, че батерия с мека обвивка от хидрогел абсорбира само 19% влага от въздуха при влажност 50%. Това позволява на батерията да работи при напрежение 3,1 V. Двата забележителни недостатъка на новата батерия са по-бързата загуба на капацитет – до 60% от първоначалното ниво след 500 цикъла на зареждане (докато съвременните батерии губят не повече от 20%), и ниската енергийна плътност на съхранената енергия, която е само около 10% от нивото на съвременните батерии.

Новата „мека“ батерия в гъвкава полимерна опаковка може да се огъва, усуква, пробива и дори реже без последствия. Тя дори може да се възстанови от порязвания, въпреки че за целта трябва да бъде изпечена във фурна.

Учените са уверени, че новопридобитите свойства ще помогнат при създаването на по-безопасна електроника – от роботиката до носимите устройства. Особено като се има предвид, че характеристиките на батерията все още могат да бъдат подобрени. Това е само въпрос на време и на по-нататъшни научни изследвания.