Turbūt jau spėjote įsitikinti arba tiesiog įtariate, jog šiuolaikiniuose prietaisuose – mobiliuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ar net elektromobiliuose – svarbią dalį užima baterija. Naujausios baterijų gamybos technologijos leidžia sukonstruoti pakankamai mažus, bet talpius elektros energijos šaltinius.
Tačiau žmogus nebūtų žmogus, jeigu nenorėtų, kad jo prietaisas veiktų dar ilgiau arba įkrovimas truktų dar trumpiau, tad mokslininkai yra priversti plušėti be jokio atokvėpio. Reti, tačiau itin plačiai žiniasklaidoje nušviesti ličio jonų baterijų perkaitimo arba netgi sprogimo atvejai iškėlė į viešumą baterijų saugumo klausimą.
Visai neseniai Masačusetso technologijos instituto, „Samsung“ pažangiųjų technologijų instituto bei kitų JAV universitetų ir laboratorijų mokslininkai sugalvojo, kaip būtų galima patobulinti vieną iš trijų svarbiausių baterijos komponentų – elektrolitą. Naujasis atradimas yra pagrįstas mintimi, jog kietasis elektrolitas – kitaip nei dabar naudojamas skystasis – galėtų gerokai pailginti baterijos veikimo trukmę, padidintų saugumą ir tuo pačiu leistų mažesniame tūryje sukaupti daugiau energijos.
Mokslininkų tyrimai, publikuoti prestižiniame žurnale „Nature Materials“, yra svarbus proveržis siekiant pagerinti populiariąsias ličio jonų baterijas. Tokių baterijų elektrolito, paprastai sudaryto iš skysto organinio tirpiklio, paskirtis yra pernešti krūvininkus nuo vieno elektrodo prie kito vykstant baterijos iškrovimo arba įkrovimo procesui. Tačiau būtent jis yra atsakingas už pavojingą perkaitimą ar netgi ugnies židinius, kurie, pavyzdžiui, privertė sustabdyti orlaivių „Boeing 787 Dreamliner“ eksploataciją. Nors ir anksčiau būta bandymų skystąjį elektrolitą pakeisti kietuoju, ši mokslininkų grupė yra pirmoji, kuri parodė, kaip tai padaryti, kad būtų atitikti visi praktiniam baterijų pritaikymui keliami reikalavimai.
„Kietieji elektrolitai turi milžinišką potencialą, – teigia medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Džerbrandas Sideris (Gerbrand Ceder). – Jie leistų sukurti beveik tobulą bateriją su išspręstais veikimo trukmės, saugumo ir kainos klausimais.“
Nors ličio jonų baterijų kainos šiaip ar taip nuolat mažėja, saugumo problema išlieka vis dar labai aktuali.
„Visi „Boeing“ orlaivių ličio jonų baterijų gaisrai kilo dėl elektrolito, – tęsia mokslininkas. – Tokios būsenos litis, kokios jis yra naudojamas baterijose, yra visiškai nedegus. Skystąjį elektrolitą pakeitus kietuoju, viskas išsispręstų. Galėtumėte bateriją mėtyti į sieną ar perdurti vinimi – tiesiog nebūtų kam užsidegti.“
„Mūsų pasiūlytasis elektrolitas turi ir kitokių privalumų. Vienas jų – ženkliai sumažintas nusidėvėjimas, todėl tokios baterijos atlaikytų šimtus tūkstančių iškrovimo ir įkrovimo ciklų.“
Norint tai įgyvendinti, reikėjo rasti kietųjų medžiagų, kurios sugebėtų pakankamai sparčiai pernešti jonus.
„Iki tol vyravo požiūris, jog kietųjų medžiagų jonų pernešimo sparta nėra pakankama, – pažymi profesorius. – Tačiau mums pavyko viską apversti aukštyn kojomis.“
Tyrėjų komandai reikėjo išsiaiškinti veiksnius, lemiančius efektyvią jonų pernašą kietuosiuose medžiagose, ir rasti junginių, pasižyminčių tinkamomis savybėmis. Iš pradžių taikytasi į medžiagų klasę, vadinamą superjoniniais ličio laidininkais: ją sudaro ličio, germanio, fosforo bei sieros junginiai. Tačiau tyrimų rezultatai leidžia dairytis ir į kitas, galbūt netgi efektyvesnes medžiagas.
Įdomu tai, jog kietasis elektrolitas pasižymi kiek netikėtomis savybėmis. Pasirodo, kad priešingai nei įprastinės ličio jonų baterijos, kurių efektyvumas smarkiai krenta esant dideliam šalčiui, naujosios kuo puikiausiai atlaiko net ir didžiausius speigus. Be to, kietasis elektrolitas užtikrina didesnį energijos tankį – energijos kiekį, kurį galima patalpinti tam tikrame baterijos tūryje. Naujosios baterijos maždaug 20-30 procentų talpesnės už senąsias, o tai neabejotinai džiugi naujiena visiems išmaniųjų įrenginių savininkams.