В течение последних нескольких десятилетий исследования в области батарей в основном были сосредоточены на перезаряжаемых литий-ионных батареях, которые используются во всем, от электромобилей до портативной электроники, и значительно улучшились с точки зрения доступности и емкости. Но за это время неперезаряжаемые батареи практически не улучшились, несмотря на их решающую роль во многих важных областях, таких как имплантируемые медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ улучшить плотность энергии этих неперезаряжаемых или «первичных» батарей. Они говорят, что это может обеспечить увеличение полезного срока службы до 50% или соответствующее уменьшение размера и веса при заданной мощности или энергоемкости, а также повысить безопасность с небольшим увеличением стоимости или без него.
О новых результатах, связанных с заменой обычно неактивного электролита батареи на материал, активный для доставки энергии, сообщается сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в статье постдокторского сотрудника Массачусетского технологического института Кавано Хайнинга Гао, аспиранта Алехандро. Севилья, адъюнкт-профессор машиностроения Бетар Галлант и еще четыре человека из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института.
По словам Галланта, замена батареи в кардиостимуляторе или другом медицинском имплантате требует хирургической процедуры, поэтому любое увеличение срока службы их батарей может существенно повлиять на качество жизни пациента. Первичные батареи используются для таких важных приложений, потому что они могут обеспечить примерно в три раза больше энергии для данного размера и веса, чем перезаряжаемые батареи.
Эта разница в емкости, по словам Гао, делает первичные батареи «критическими для приложений, где зарядка невозможна или нецелесообразна». Новые материалы работают при температуре человеческого тела, поэтому они подходят для медицинских имплантатов. В дополнение к имплантируемым устройствам, с дальнейшей доработкой, позволяющей батареям работать эффективно при более низких температурах, приложения могут также включать датчики в устройствах слежения за поставками, например, для обеспечения надлежащего соблюдения требований к температуре и влажности для пищевых продуктов или лекарств на протяжении всей транспортировки. процесс. Или они могут использоваться в дистанционно управляемых воздушных или подводных транспортных средствах, которые должны оставаться готовыми к развертыванию в течение длительного времени.
Батареи кардиостимулятора обычно служат от пяти до 10 лет и даже меньше, если им требуются высоковольтные функции, такие как дефибрилляция. Тем не менее, по словам Гао, для таких батарей технология считается зрелой, и «за последние 40 лет не было никаких серьезных инноваций в фундаментальной химии элементов».
Ключом к инновациям команды является новый тип электролита — материал, который находится между двумя электрическими полюсами батареи, катодом и анодом, и позволяет носителям заряда проходить с одной стороны на другую. Используя новое жидкое фторированное соединение, команда обнаружила, что они могут сочетать некоторые функции катода и электролита в одном соединении, называемом католитом. По словам Гао, это позволяет значительно снизить вес типичных первичных батарей.
Галлант объясняет, что хотя помимо этого нового соединения существуют и другие материалы, которые теоретически могут выполнять аналогичную роль католита в аккумуляторе большой емкости, эти материалы имеют более низкое собственное напряжение, которое не соответствует напряжению остального материала в обычном аккумуляторе кардиостимулятора. , тип, известный как CF x .
Поскольку общая выходная мощность батареи не может быть больше, чем у меньшего из двух электродных материалов, дополнительная емкость будет потрачена впустую из-за несоответствия напряжения. Но с новым материалом «одним из ключевых достоинств наших фторированных жидкостей является то, что их напряжение очень хорошо совпадает с напряжением CF x », — говорит Галлант.
В обычной батарее CF x жидкий электролит необходим, поскольку он позволяет заряженным частицам проходить от одного электрода к другому. Но «эти электролиты на самом деле химически неактивны, поэтому они в основном мертвый груз», — говорит Гао. Это означает, что около 50% основных компонентов батареи, в основном электролит, являются неактивными материалами. Но в новой конструкции с фторированным католитом количество собственного веса может быть уменьшено примерно до 20%, говорит она.
По словам Галланта, новые элементы также обеспечивают повышение безопасности по сравнению с другими типами предложенных химикатов, в которых используются токсичные и коррозионные католитные материалы, чего нет в их формуле. По ее словам, предварительные тесты продемонстрировали стабильный срок хранения более года, что является важной характеристикой для первичных батарей.
До сих пор команда еще не достигла экспериментально полного 50%-го улучшения плотности энергии, предсказанного их анализом. По словам Галланта, они продемонстрировали улучшение на 20%, что само по себе может быть важным преимуществом для некоторых приложений. Конструкция самой ячейки еще не полностью оптимизирована, но исследователи могут спрогнозировать производительность ячейки на основе характеристик самого активного материала. «Мы можем видеть, что прогнозируемая производительность на уровне ячейки при увеличении масштаба может достигать примерно 50% выше, чем у ячейки CF x », — говорит она. Следующей целью команды является достижение этого уровня экспериментальным путем.
Севилья, докторант факультета машиностроения, сосредоточится на этой работе в следующем году. «Меня пригласили в этот проект, чтобы попытаться понять некоторые ограничения, из-за которых мы не смогли достичь максимально возможной плотности энергии », — говорит он. «Моя роль заключалась в том, чтобы заполнить пробелы в понимании лежащей в основе реакции».
Одним из больших преимуществ нового материала, по словам Гао, является то, что его можно легко интегрировать в существующие процессы производства аккумуляторов, просто заменив один материал другим. По словам Гао, предварительные обсуждения с производителями подтверждают эту потенциально легкую замену. По ее словам, основной исходный материал, используемый для других целей, уже масштабирован для производства, и его цена сопоставима с ценой материалов, которые в настоящее время используются в батареях CF x .
По ее словам, стоимость батарей с использованием нового материала, вероятно, будет сопоставима со стоимостью существующих батарей. Команда уже подала заявку на патент на католит, и они ожидают, что медицинские приложения, вероятно, будут первыми, которые будут коммерциализированы, возможно, с полномасштабным прототипом, готовым для испытаний на реальных устройствах примерно через год.
Исследователи говорят, что в дальнейшем другие приложения, вероятно, также могут использовать преимущества новых материалов, такие как интеллектуальные счетчики воды или газа, которые можно считывать удаленно, или такие устройства, как транспондеры EZPass, увеличивая срок их использования. Мощность для беспилотных летательных аппаратов или подводных транспортных средств потребует более высокой мощности, поэтому ее разработка может занять больше времени. Другие области применения могут включать в себя батареи для оборудования, используемого на удаленных объектах, например, буровых установок для добычи нефти и газа, включая устройства, отправляемые в скважины для мониторинга условий.
