Батериите са „машинното отделение“ за огромна част от съвременния свят – като започнете от смартфоните, лаптопите, странните модерни скутери и стигнете чак до набъбващата флота от автономно движещи се електрически камиони, като този на Tesla. Затова не е особено учудващо, че страшно много учени и инженери по света се вълнуват и работят в посока на това да усъвършенстват технологиите за създаване на батерии.

Изминаващата година ни донесе поредните вълнуващи новини в тази област, като обещанията са масово използваните батерии в близко време да станат по-сигурни, по-издръжливи, по-бързо зареждащи се и разбира се – по-евтини. Ето и подробностите

Сигурността преди всичко

Шансовете за повреда на една литиево-йонна батерия са относително малки, още повече за такива водещи до взрив и наранявания. Но все пак рискове съществуват и новините за инциденти не са чак такава рядкост. Ежедневното използване на милиони (дори милиарди) смартфони по света определено увеличава шансовете за това някъде да се случи инцидент. Запалващите се телефони на Samsung от последните години са само върха на айсберга, а вероятно сте чували и за инциденти с експлодиращи скутери (модерните скейтбордове с жироскоп и батерия).

Съвременните батерии винаги се продават с вграден чип, който следи волтажа, температурата и заряда, който батерията държи, което пък спомага за предупрежденията, които виждате на екрана на вашия смартфон. Не съм сигурен дали някой смартфон би ви предупредил да го изключите, за да не се взриви, но определено повишението на критичните показатели се отразява на работата на телефона.

Учените от години насам се опитват да намерят начини за запазването на батериите по-студени по време на работа, а един от начините да постигнат това е да заменят електролита (запалителния елемент) или течността която съдържа заредените йони, с нещо по-малко запалимо.

Още през 2015 година учени от университета в Мериленд и инженери от изследователската лаборатория на американската армия успяха да тестват електролит от солена вода, който обещава да направи батериите на всякакви устройства – от пейсмейкъри, до най-големите видове - много, много по-сигурни. Но единственият сериозен проблем пред технологията е, че макар рискът от запалване да е почти нулев, максималната мощност на такава батерия е едва 3 вата.

Но не се отчайвайте. През септември тази година учените успяха да намерят начин да повишат мощността им до 4 вата, което е достатъчно за масово произвеждани устройства, като някои лаптопи, например. Те са постигнали това чрез въвеждането на ново полимерно гел-покритие което може да се нанася върху анода на батерията и да отблъсква по-добре водата от повърхността му. Този ефект води до повишаване на ефективността, а сега екипът се фокусира над целта да повиши броя цикли на презареждане от 100 до 500 и повече, за да я направи конкурентоспособна на пазара.

Друг начин да се намали шанса от запалване е… вграждането на вещество, действащо като забавител на горенето в самата батерия, което се изпуска автоматично когато тя прегрее и е на път да се взриви. Нещо като прахът на един пожарогасител. Учените се опитват да създадат такива батерии от години, тествайки различни вещества за целта. Някои от възможностите са дори използване на керамика, но всички тези опити водят до намаляване на възможностите на батерията, което не е търсен ефект.

През януари тази година учени от университета в Станфорд направиха пробив. Техният дизайн предлага използване на масово използвано вещество, наречено три-фенил фосфат. То се пакетира в полимерни микро нишки, които се топят когато температурата достигне 160 градуса и при стопяването освобождават веществото което „гаси“ електролита миг преди да се е запалил и взривил. Технологията е тествана при кръглите батерии за часовници, като е доказано че при случай на запалване веществото TPP може бързо да угаси пламъка. Тестовете за въвеждане на този метод в масово използваните батерии по света продължават.

Бързо зареждане

Дали е по-вероятно да си купите електрическа кола, ако можете да я включите в ел. мрежата за 6 минути, след което да карате 320 километра без спиране? Определено! Батериите, които позволяват такова светкавично зареждане ще направят революция при електрическите автомобили, но разбира се, ще се прилагат и при всички останали електронни устройства.

През октомври Toshiba анонсира новото поколение на супер бързо зареждащата се йонна батерия SCiBO. Тя използва нов вид материал за анода си, наречен титан-ниобиев оксид, който е способен да запазва литиевите йони много по-ефективно, толкова много, че енергийната плътност е удвоена. Toshiba планира да въведе този метод на практика още от 2019 година, като твърди, че автомобилите снабдени с такива батерии ще предлагат поне три пъти по-бързо зареждане спрямо днешните, което ще догони границата от 6 минути за зареждане на „електрическия ви резервоар“.

Японската компания не е единственият технологичен гигант, който вълнува тази област. През ноември изследователи от Samsung обявиха, че са създали нов тип графенови топчета с микроразмери, използвани в ролята на анод, заедно със защитен слой за катода. Приложени в литиево-йонни батерии, корейците са намалили значително нежеланите странични реакции и загуби, създавайки по-проводими „пътища“ по които протича енергията в батерията.

Според тях това означава, че ако тези топчета от наноматериала графен се използват в стандартна батерия, те ще намалят времето за зареждане от над 1 час до само 12 минути. А това си е доста добре. В добавка – те ще повишат капацитета на батериите с до 45 процента и ще поддържат стабилна ниска температура на работа. А това е много важно особено когато става дума за батерии на автомобили.

Капацитет

Високият капацитет на литиево йонните батерии ги направи пазарен лидер през последните години. Но кажете на някой фен на смартфоните, че можете да повишите времето му за работа двойно и ще видите радостта в очите му. Затова увеличаването на капацитета им така, че да задържат „повече енергия“, е ключов елемент за разработчиците в тази област.

За учените от университета Rice това означава намаляване до нулата на вторичния „продукт“ който се образува по време на зареждането, наречен „дендрити“. Това са микроскопични литиеви нишки, които растат върху анода и се разпространяват като „обрив“, пречейки на производителността на батерията и дори предизвиквайки късо съединение в някакъв момент.

Екипът учени конструирал прототип, използващ „двуизмерен графен“ – листове от материал, който буквално „израства“ върху метална подложка в невероятно тънък слой. В комбинация с въглеродни нанотръбички за анод се получава батерия, а заради ниската плътност и огромната площ, тръбичките представляват цяла гора с достатъчно място за приемане на заредените частици по време на циклите на зареждане и изпразване на заряда. Това нещо напълно предотвратява образуването на дендрити.

По време на тестовете екипът открива, че материалът за анода е способен да задържа 3.351 милиамперчаса за грам, което е близо до теоретичния максимум на литиево-йонната батерия от 3.860 милиамперчаса и… 10 пъти повече от възможностите на сегашните батерии!

Графеновата технология обещава още екстри. Възможността на този материал да складира енергия и да я пази и освобождава е голяма. Но през ноември учени от Арканзас откриха, че всъщност графенът може дори да генерира собствена енергия! Те експериментирали с графенови вълни – това е процес при който въглеродните атоми разположени в двуизмерния слой графен се повдигат и пропадат надолу под въздействието на околната температура, подобно на океанско вълнение. Задържайки листа между два неподвижни електрода, те успели да създадат позитивен заряд когато групата атоми се издигали и докосвали горния електрод, а след това и електричен ток когато падали надолу и докосвали долния електрод. Използвайки устройство за събиране на тази „вибрационна енергия“ те успели да получат енергия, достатъчна за захранването на ръчен часовник.

Теоретично такава технология никога няма да се нуждае от зареждане в ел. мрежата и никога няма да се изхабява. Въвеждането й при употребата на часовници и малка електроника е възможно, но все още е в лабораториите за решаване на редица проблеми.

И още малко за капацитета. Преди няколко седмици в Южна Австралия беше тествана най-голямата литиево-йонна батерия в света. Създадена от Тесла само за 100 дни, 129 мегаватчасовата Powerpack е насочена към съвременните технологични области, а зарядът и е достатъчен да захранва около 30 000 домакинства.

Екология

През тази година станахме свидетели на напредък, който не само повишава капацитети, но и щади околната среда. Учени от университета Тохоку в Япония вкараха в употреба един отпадък от електронното производство – силициеви стърготини, създадени в процеса на отрязване на силиций от големите листа при създаване на процесори. Чрез разпрашаване на тези стърготини в порести наночастиции и покриването им с въглерод, екипът успял да създаде нов тип анод.

Резултатът е литиево-йонна батерия, която не само е създадена от рециклиран материал, но и постига постоянен капацитет от 1200 милиамперчаса за грам и възможност за презареждане над 800 пъти. Според японците това означава повече от три пъти повече спрямо конвенционалните графитни аноди.

Друг пример – през април тази година учени от Ривърсдейл, Калифорния събраха изхвърлени стъклени бутилки. Те ги смилат на стъклен прах и намаляват частиците силициев диоксид до наноразмери, като ги покриват с въглерод. След това създават анод, който има потенциал да запазва 10 пъти повече енергия спрямо днешните. А за демонстрацията създава кръгла батерия за часовници със значително повишени възможности. Тази технология е едновременно екологична, евтина и затова е патентована веднага.

През август австралийски учени разкриха и за собствената си цинково-въздушна батерия, която прави нещо подобно, с тази разлика че отстранява още проблеми, познати при традиционните устройства. Положителните страни на цинк-въздушните батерии са, че използват въздух в клетката за провеждане на химичните реакции. Ако добавите повече цинк - увеличавате енергийната плътност на батерията. Но отрицателните им качества са, че този процес окислява цинковия анод и го прави почти безполезен, ако не използвате скъп ценен метал в ролята на катализатор, който да ги поддържа в работно състояние.

Екипът от Сидни, Австралия обаче е намерил евтина алтернатива, създавайки катализатори от масови елементи, като желязо, кобалт и никел. В резултат цинковата батерия може много по-лесно да се презарежда и губи само 10-тина процента от ефективността си след 60 зареждания.