Co jsou flexibilní polovodičové baterie?

Skupina mezinárodních vědců vyvinula nový typ polovodičové baterie, která by mohla zvýšit dojezd elektrických vozidel a zabránit požárům v laptopech a chytrých telefonech. Autoři popisují svá zjištění v Advanced Energy Materials . Nahrazením tekutých elektrolytů používaných v konvenčních dobíjecích bateriích za „pevné“, keramické, jsou schopny vyrábět účinnější baterie s dlouhou životností, které jsou také bezpečnější pro použití. Výzkumníci doufají, že tyto výhody mohou připravit cestu pro účinnější a ekologičtější baterie pro všechny druhy zařízení včetně elektromobilů.

Autoři studie z USA a Velké Británie již nějakou dobu zkoumají alternativy k tekutým elektrolytům v lithium-iontových bateriích. V roce 2016 oznámili vývoj polovodičové baterie, která by mohla fungovat při více než dvojnásobném napětí než konvenční lithium-iontové články, ale s podobnou účinností.

Zatímco jejich nejnovější design představuje významné zlepšení této dřívější verze, výzkumník profesor Donald Sadoway z MIT poznamenává, že stále existuje prostor pro zlepšení: "Dosáhnout vysoké iontové vodivosti v keramických materiálech při zvýšených teplotách může být obtížné," vysvětlil. "Byl to průlomový úspěch." Výzkumníci doufají, že po testování se tyto vylepšené baterie ukážou jako vhodné pro elektrická vozidla nebo dokonce pro pohon letadel.

U polovodičových baterií se poškození v důsledku přehřátí předchází používáním keramických elektrolytů spíše než hořlavých, tekutých. Pokud se baterie poškodí a začne se keramický elektrolyt přehřívat, místo vznícení dojde k jejímu vznícení, což zabrání jejímu vznícení. Póry ve struktuře těchto pevných materiálů jim také umožňují nést mnohem vyšší zátěž elektrického náboje s ionty pohybujícími se rozšířenou sítí v pevné látce.

Tyto vlastnosti znamenají, že vědci byli schopni zvýšit jak napětí, tak kapacitu svých baterií ve srovnání s těmi, které obsahují hořlavé kapalné elektrolyty. Profesor Sadoway ve skutečnosti řekl: "Předvedli jsme lithium-vzduchový článek s 12 volty pracující při 90 stupních C [194°F]. To je více, než kdokoli jiný dosáhl."

Tato nová konstrukce baterie má další potenciální výhody oproti hořlavým elektrolytům, včetně skutečnosti, že keramické elektrolyty jsou obecně stabilnější než organické. "Úžasné je, jak dobře to fungovalo," řekl profesor Sadoway. "Z této buňky jsme získali více energie, než jsme do ní vložili."

Tato stabilita by mohla výrobcům umožnit zabalit velké množství polovodičových článků do notebooků nebo elektromobilů, aniž by se museli obávat jejich přehřátí, díky čemuž jsou zařízení mnohem bezpečnější a prodlužuje se jejich funkční životnost. V současné době, pokud se tyto druhy baterií přehřejí, hrozí nebezpečí vznícení – jak se nedávno stalo u telefonu Samsung Galaxy Note 7. Výsledné plameny by se nemohly šířit, protože uvnitř článků není žádný vzduch, který by udržoval spalování; skutečně by se nemohly rozšířit za místo původního poškození.

Tyto pevné materiály mají také velmi dlouhou životnost; naproti tomu některé pokusy vyrobit lithium-iontové baterie s hořlavými kapalnými elektrolyty, které pracují při vyšších teplotách (přes 100 °C), se běžně vznítí po 500 nebo 600 cyklech. Keramické elektrolyty vydrží více než 7500 cyklů nabití/vybití, aniž by se vznítily."

Nová zjištění by mohla být velmi významná jak pro rozšíření dojezdu elektromobilů, tak pro prevenci požárů smartphonů. Podle Sadowaye: "Starší generace baterií měly olověné [auto] startovací baterie. Měly krátký dojezd, ale byly neuvěřitelně spolehlivé," řekl a dodal, že jejich nepředvídatelnou slabinou bylo, že "pokud se zahřálo nad 60 °C, pak vzplanul by."

Dnešní lithium-iontové baterie, vysvětluje, jsou o krok výše. "Mají velký dosah, ale mohou se poškodit silným přehřátím a vzplanutím," řekl a dodal, že nová polovodičová baterie je potenciálně "zásadním průlomem", protože by mohla vést k mnohem spolehlivějším a bezpečnějším zařízením.

Vědci z MIT se domnívají, že by mohlo trvat pět let, než se tato technologie začne široce používat, ale již v příštím roce doufají, že se tyto druhy baterií namontují do smartphonů od velkých výrobců, jako je Samsung nebo Apple. Poznamenali také, že existuje mnoho komerčních využití pro tyto buňky kromě telefonů, včetně notebooků a elektrických vozidel.

Profesor Sadoway však varuje, že existuje ještě kus cesty, než bude technologie zdokonalena. "Máme článek, který vypadá opravdu skvěle, ale je to velmi brzy... Ještě musíme vyrobit články s velkými elektrodami s vysokou hustotou výkonu."

Sadoway věří, že tento průlom bude okamžitě široce přijat, protože má potenciál nejen napájet EV s mnohem větším dojezdem, ale také potenciálně zabránit požárům smartphonů. Možná překvapivější je jeho předpověď, že polovodičové baterie by se mohly stát univerzálně používanými za méně než pět let, jakmile se většina výrobců přesvědčí o jejich bezpečnosti a spolehlivosti.