Незапалимата литиево-метална батерия на Ionic Materials, представена в „Търсене на супер батерията“ на NOVA. Кредит: NOVAЛитиево-йонните батерии са виновниците зад поредица от горивни устройства. Те са причинили пожари на ховърборд , Експлозии на смартфона Samsung Galaxy Note 7 , и най-скоро, a голямо изтегляне на лаптопи HP . Това, което прави тези батерии толкова летливи, е силно запалима течност, наречена течен електролит.
„Можете да мислите за това като за керосин – все едно се разхождате с керосин в смартфона, в чантата си и в джоба си“, казва Майк Цимерман, професор по материалознание в университета Тъфтс и основател и главен изпълнителен директор на батерията търговско дружество, Йонни материали .
Zimmerman е разработил по-безопасен електролит - по-специално, твърд, пластмасов електролит - който няма да представлява огнен риск. Той и екип от инженери и учени в Ionic Materials, базиран в Woburn, Масачузетс, са изпробвали концепцията, като са изградили първата успешна пластмасова електролитна батерия, която може да работи при стайна температура.
Вездесъщата литиево-йонна батерия съществува от 1991 г. През десетилетията учените се борят с три неприятни проблема: Тези батерии са експлозивни, скъпи и имат ограничен енергиен капацитет. В скорошен сегмент на Научен петък , Дейвид Поуг, технологичен журналист и водещ на документалния филм на NOVA „ Потърсете Super Battery ”, обсъдиха различни варианти, които биха могли да заменят литиево-йонната батерия, от батерии със солена вода до батерии с лед. Той заключи, че пластмасовата батерия на Ionic Materials е една от най-обещаващите.
Батерията се състои от три основни компонента: положителен и отрицателен електрод, известни като катод и анод, които са разделени от химическа бариера, наречена електролит. Електролитът е като магистрала за йони, обяснява Цимерман - позволява им да текат между анода и катода.
Има различни начини, по които литиево-йонните батерии могат да се запалят . Например, презареждането, както и контактът между анода и катода - може би поради производствен дефект - могат да причинят късо съединение.
„Когато получите шорт, нещата се нагряват“, казва Цимерман. „Когато [течният електролит] достигне определена температура, той просто започва да гори.“
Според Цимерман изследователите са експериментирали с два вида твърди вещества, за да заменят течния електролит: керамика и пластмаса. Той установи, че керамиката е крехка и трудна за производство в голям мащаб, докато предишните пластмасови прототипи могат да провеждат йони, но само при много високи температури.
Екипът на Zimmerman в Ionic Materials разработи пластмасов полимерен електролит, който може да позволи потока на йони при стайна температура. Той функционира по същия начин като течния електролит, обяснява Цимерман, но пластмасата е огнеустойчива, така че няма вероятност батерията да експлодира.
Pogue демонстрира своята безопасност, като наряза една от пластмасовите батерии - която в този случай беше много тънка - с чифт ножици, докато захранваше панел от LED светлини. За голямо облекчение на Поуг нямаше избухване на пламъци. Докато той продължаваше да отрязва, LED светлините изненадващо останаха осветени.
„Това беше нежелана последица“, казва Цимерман. „Опитахме се да го направим безопасно. Всъщност не се фокусирахме върху това да го накараме да работи, след като беше повреден.'
Батерията, която Pogue намали, все още работи, защото има висока енергийна плътност, благодарение на вграждането на литиево-метален анод. Според Цимерман батериите, изработени от метален литий, могат да съхраняват два пъти повече енергия на обем от литиево-йонните батерии, но биха били много по-опасни, ако се използват с течен електролит. Пластмасата елиминира проблема.
„Използвам смартфона си много и до четири часа следобед трябва да презаредя батерията си“, казва Цимерман. „Ако можем да използваме нашата пластмаса и да поставим аноди с по-висока енергия, телефонът може да издържи два или три пъти по-дълго, преди да се наложи да го зареждате отново.“
Цимерман се надява, че ще видим устройства, поддържани от пластмасовата батерия на Ionic Materials след две или три години. В момента компанията работи върху укрепването на бизнес партньорите и справянето с предизвикателствата на производството в голям обем в индустрия, която до голяма степен е свикнала с производството на литиево-йонни батерии. Неговият план е първо да въведе батерията в смартфоните и потребителската електроника и в крайна сметка да се разшири до електрическите превозни средства.
„Искаме да имаме безопасна батерия, която може да осигури повече капацитет – повече енергия – така че хората да могат да получат много по-голям обхват с едно зареждане“ в своите електрически превозни средства, казва той.