Hvað eru sveigjanlegar solid state rafhlöður?

Hópur alþjóðlegra vísindamanna hefur þróað nýja gerð af solid-state rafhlöðum sem gæti aukið drægni rafbíla og komið í veg fyrir eld í fartölvum og snjallsímum. Höfundarnir lýsa niðurstöðum sínum í Advanced Energy Materials. Með því að skipta út fljótandi raflausnum sem notaðar eru í hefðbundnum endurhlaðanlegum rafhlöðum fyrir „fastar“ keramik rafhlöður geta þær framleitt skilvirkari, endingargóðar rafhlöður sem eru einnig öruggari í notkun. Vísindamenn vona að þessir kostir geti rutt brautina fyrir skilvirkari, grænni rafhlöður fyrir alls kyns tæki, þar á meðal rafbíla.

Höfundar rannsóknarinnar, frá Bandaríkjunum og Bretlandi, hafa verið að kanna aðra kosti en fljótandi raflausnir í litíumjónarafhlöðum um nokkurt skeið. Árið 2016 tilkynntu þeir þróun á solid-state rafhlöðu sem gæti starfað á meira en tvöfaldri spennu en hefðbundnar litíumjónafrumur, en með svipaðri skilvirkni.

Þó að nýjasta hönnun þeirra tákni umtalsverða framför frá þessari fyrri útgáfu, bendir vísindamaðurinn, prófessor Donald Sadoway frá MIT, að enn sé pláss fyrir umbætur: „Það getur verið erfitt að ná háum jónaleiðni í keramikefnum við hærra hitastig,“ útskýrði hann. "Þetta var byltingarafrek." Rannsakendur vona að eftir prófun muni þessar endurbættu rafhlöður reynast hentugar fyrir rafknúin farartæki eða jafnvel knýja flugvélar.

Í rafhlöðum í föstu formi er komið í veg fyrir skemmdir vegna ofhitnunar með því að nota keramik rafsalta frekar en eldfim, fljótandi. Ef rafhlaðan er skemmd og fer að ofhitna, þá kolnar keramik raflausnin frekar en að kvikna í henni, sem kemur í veg fyrir að kvikni í henni. Svitaholurnar í uppbyggingu þessara föstu efna gera þeim einnig kleift að bera miklu meira rafhleðsluálag með jónum sem fara í gegnum útvíkkað net innan föstu efnisins.

Þessir eiginleikar þýða að vísindamönnum hefur tekist að hækka bæði spennu og rýmd rafhlöðu sinna samanborið við þær sem innihalda eldfimt fljótandi raflausn. Reyndar sagði prófessor Sadoway: "Við sýndum litíum-loftfrumu með 12 volta sem starfar við 90 gráður C [194°F]. Það er hærra en nokkur annar hefur náð."

Þessi nýja rafhlöðuhönnun hefur aðra hugsanlega kosti umfram eldfim raflausn, þar á meðal þá staðreynd að keramik raflausnir eru almennt stöðugri en lífrænir. "Það ótrúlega er hversu vel það virkaði," sagði prófessor Sadoway. "Við fengum meiri orku út úr þessari frumu en við settum í hana."

Þessi stöðugleiki gæti gert framleiðendum kleift að pakka miklu magni af föstum frumum inn í fartölvur eða rafbíla án þess að þurfa að hafa áhyggjur af ofhitnun þeirra, sem gerir tækin mun öruggari og lengir endingartíma þeirra. Eins og er, ef þessar tegundir af rafhlöðum ofhitna þá eiga þær á hættu að kvikna - eins og nýlega gerðist með Samsung Galaxy Note 7 símanum. Eldarnir sem myndast myndu ekki geta breiðst út vegna þess að það er ekkert loft inni í frumum til að halda uppi brennslu; þeir myndu reyndar ekki geta dreifst út fyrir þann stað sem upphaflega skemmdin varð.

Þessi solid efni eru líka mjög langvarandi; öfugt, sumar tilraunir til að búa til litíumjónarafhlöður með eldfimum fljótandi raflausnum, sem starfa við hærra hitastig (yfir 100°C), kvikna reglulega eftir 500 eða 600 lotur. Keramik raflausnin þola meira en 7500 hleðslu/hleðslulotur án þess að kvikna."

Nýju niðurstöðurnar gætu verið gríðarlega mikilvægar bæði til að auka drægni rafbíla og koma í veg fyrir eld í snjallsímum. Samkvæmt Sadoway: "Eldri kynslóðir rafgeyma voru með blýsýru [bíla] ræsirafhlöður. Þeir höfðu stutt drægni en þeir voru ótrúlega áreiðanlegir," sagði hann og bætti við að ófyrirséður veikleiki þeirra væri að "ef það yrði heitara en um 60°C þá það myndi kvikna."

Lithium ion rafhlöður í dag, útskýrir hann, eru skref upp frá þessu. „Þeir hafa langa drægni en þeir geta skemmst við alvarlega ofhitnun og kviknað,“ sagði hann og bætti við að nýja solid-state rafhlaðan væri hugsanlega „grundvallarbylting“ vegna þess að hún gæti leitt til mun áreiðanlegri og öruggari tækja.

Vísindamenn við MIT telja að þessi tækni gæti tekið fimm ár að verða almennt notuð en jafnvel strax á næsta ári vonast þeir til að sjá slíkar rafhlöður settar í snjallsíma frá stórum framleiðendum eins og Samsung eða Apple. Þeir tóku einnig fram að það eru mörg viðskiptaleg notkun fyrir þessar frumur fyrir utan síma, þar á meðal fartölvur og rafknúin farartæki.

Prófessor Sadoway varar þó við því að enn sé nokkuð í land áður en tæknin verður fullkomin. "Við höfum fengið frumu sem lítur mjög vel út en það er mjög áríðandi . . . Við eigum enn eftir að búa til frumur með stórum rafskautum með miklum þéttleika."

Sadoway telur að þessi bylting verði almennt samþykkt strax vegna þess að hún hefur ekki aðeins möguleika á að eldsneyta rafbíla með miklu meiri drægni heldur einnig hugsanlega koma í veg fyrir eld í snjallsímum. Kannski kemur meira á óvart spá hans um að solid state rafhlöður gætu orðið almennt notaðar á innan við fimm árum þegar flestir framleiðendur eru sannfærðir um öryggi þeirra og áreiðanleika.