Группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) продвинулась по пути создания безопасного литиевого аккумулятора. Современные литиевые батареи подвержены риску возгорания при повреждении — этой проблемы лишена новая разработка. Более того, созданный исследователями аккумулятор может без последствий растягиваться, сгибаться и даже подвергаться частичному разрушению — делать все то, что необходимо для развития робототехники.
Предыдущие разработки в этой области не могли похвастаться длительным сроком службы и большим числом циклов зарядки. Аккумулятор «из Беркли» преодолел эти и другие ограничения, продемонстрировав на примере прототипа способность выдерживать как минимум 500 циклов зарядки. Примерно столько же циклов обещают выдерживать современные массовые литий-ионные аккумуляторы.
В процессе создания устойчивого к грубым физическим воздействиям аккумулятора исследователи решали две основные задачи. Во-первых, батарея не должна была содержать токсичных материалов. Во-вторых, структура электролита должна была самостоятельно сохранять форму — если это определение уместно для электролита в виде «желе». Ученые справились с обеими задачами, хотя не все получилось идеально.
«Современные аккумуляторы требуют жесткой оболочки, потому что используемый в них электролит взрывоопасен. Мы хотели создать аккумулятор, который можно было бы безопасно использовать без твердой упаковки, — поясняют ученые. — К сожалению, гибкая упаковка из полимеров или других эластичных материалов может легко пропускать воздух или воду, которые вступают в реакцию со стандартными электролитами, выделяя много тепла и потенциально приводя к пожарам и взрывам. Именно поэтому в 2017 году мы начали экспериментировать с квазитвердыми гидрогелевыми электролитами».
Поскольку готового решения не существовало, исследователи перепробовали множество соединений, прежде чем добились образования надежных молекулярных связей в электролите при сохранении приемлемой ионной проводимости. В частности, рабочее напряжение аккумулятора удалось поднять до 3 В и даже немного выше, тогда как ранее квазитвердые гидрогелевые электролиты ограничивали этот показатель уровнем около 1,2 В, что недостаточно для практического применения.
В основу нового электролита легли так называемые цвиттерионные (zwitterionic) полимеры — класс макромолекул, содержащих одновременно положительно и отрицательно заряженные группы в основной или боковых цепях. Эти заряды расположены близко друг к другу и часто нейтрализуют друг друга, формируя молекулы с общей электрической нейтральностью. В аккумуляторах такой полимер использовал свои «положительные стороны» для установления связей с молекулами воды, а отрицательный заряд — для притягивания ионов лития.
Эксперименты показали, что гидрогелевая батарея в мягкой оболочке поглощала всего 19 % влаги из воздуха при влажности 50 %. Это позволяло аккумулятору работать при напряжении 3,1 В. Двумя заметными недостатками новой батареи стали более быстрая потеря емкости — до 60 % от первоначального уровня после 500 циклов зарядки (в то время как современные аккумуляторы теряют не более 20 %), а также низкая плотность запасаемой энергии, составляющая всего около 10 % от уровня современных батарей.
Зато новый мягкий аккумулятор в гибкой полимерной упаковке можно было без последствий сгибать, скручивать, прокалывать и даже разрезать. Он даже восстанавливался после порезов — хотя для этого его требовалось запекать в печи. Ученые уверены, что вновь приобретенные свойства помогут в создании более безопасной электроники — от робототехники до носимых устройств. Тем более что характеристики аккумулятора еще можно улучшить. Это лишь вопрос времени и дальнейших научных исследований.
