Твердотільні батареї вже давно вважають "наступним великим кроком" у розвитку акумуляторів -- вони безпечніші, стабільніші та потенційно потужніші за звичайні літій-іонні. Але є одна серйозна проблема: усередині твердого електроліту літієві іони рухаються надто повільно. Саме це гальмує швидке заряджання й заважає масовому впровадженню технології.
Вчені з університету штату Кеннесо представили неочікуване, але обнадійливе рішення — використання сірки для хімічного "поштовху" іонів.
У традиційних акумуляторах іони літію переміщуються крізь рідкий електроліт. Він добре проводить заряд, але водночас є легкозаймистим і чутливим до перегріву. Твердотільні батареї замінюють рідину на тверду речовину, що суттєво знижує ризик загоряння та робить акумулятор стабільнішим.
За безпеку потрібно платити: в твердих матеріалах іони пересуваються значно повільніше, наче намагаються пробратися через тісні проходи замість того, щоб рухатися вільно. Це суттєво знижує швидкість заряджання і загальну ефективність.
Група, очолювана доцентом Бейбей Цзян з кафедри електричної та комп'ютерної інженерії, займається розробкою композитного твердого електроліту, що об'єднує керамічні та полімерні елементи. Замість кардинальної зміни дизайну батареї, дослідники вирішили зосередитися на вдосконаленні "з'єднань" між цими матеріалами.
Одним із вирішальних кроків стало впровадження сірковмісних хімічних груп. Ці групи сприяють зменшенню опору на межі між керамікою та полімером, що дозволяє іонам літію рухатися набагато більш вільно.
"Уявіть собі, що іони – це автомобілі, а електроліт – це шлях, – зазначає Цзян. – Наша сірчана модифікація подібна до вирівнювання цього шляху, усуваючи ями та затори. Як наслідок, іони здатні пересуватися швидше, а процес заряджання батареї стає більш ефективним."
Під час експериментів команда помітила ще один важливий ефект -- сильну взаємодію між сіркою та цирконієм у керамічній частині електроліту. Раніше такого зв'язку в контексті твердотільних батарей не описували.
Цікаво, що це відкриття трапилося майже випадково: під час одного з експериментів реакція пройшла значно швидше, ніж передбачалося, і майже вийшла з-під контролю. Замість того щоб вважати це простою помилкою, науковці детально вивчили причини і змогли навчитися контролювати цей процес.
Головні дослідження проводяться в лабораторії на території кампусу Марієтта. Студенти активно займаються синтезом нових матеріалів, створенням прототипів та їх тестуванням у вигляді "монетних" батарей. Цей проєкт отримує фінансування у розмірі 200 тисяч доларів від Національного наукового фонду США.
На даний момент ми маємо справу з початковою фазою розробки. Основною метою є продемонструвати стабільність, надійність та довготривалу ефективність нового електроліту. У випадку успіху, цю технологію можна буде адаптувати для використання в електромобілях, енергозберігаючих системах та побутовій електроніці.
#Експеримент #Полімер #Електричний заряд #Рідина #Літій #Акумуляторна батарея #Сірка #Швидкість #Електроніка #Кераміка #Електрична батарея #Літій-іонний акумулятор #Автомобіль #Інженерія #Енергетика #Електричний автомобіль #Щось #Електроліт #Державний університет Кеннесоу #Цирконій
