Ce sunt bateriile flexibile cu stare solidă?

Un grup de oameni de știință internaționali a dezvoltat un nou tip de baterie cu stare solidă care ar putea crește autonomia vehiculelor electrice și ar putea preveni incendiile la laptopuri și smartphone-uri. Autorii își descriu descoperirile în Advanced Energy Materials. Prin înlocuirea electroliților lichizi utilizați în bateriile reîncărcabile convenționale cu cei „solidi”, ceramici, aceștia sunt capabili să producă baterii mai eficiente, de lungă durată, care sunt, de asemenea, mai sigure pentru utilizare. Cercetătorii speră că aceste avantaje pot deschide calea pentru baterii mai eficiente și mai ecologice pentru toate tipurile de dispozitive, inclusiv mașini electrice.

Autorii studiului, din SUA și Marea Britanie, explorează de ceva timp alternative la electroliții lichizi din bateriile cu ioni de litiu. În 2016, ei au anunțat dezvoltarea unei baterii cu stare solidă care ar putea funcționa la peste de două ori tensiunea celulelor convenționale cu ioni de litiu, dar cu o eficiență similară.

În timp ce ultimul lor design reprezintă o îmbunătățire semnificativă față de această versiune anterioară, cercetătorul profesor Donald Sadoway de la MIT observă că mai există loc de îmbunătățire: „Atingerea unei conductivitati ionice ridicate în materialele ceramice la temperaturi ridicate poate fi dificilă”, a explicat el. „Aceasta a fost o realizare revoluționară”. Cercetătorii speră că, după testarea acestor baterii îmbunătățite, se vor dovedi potrivite pentru vehicule electrice sau chiar pentru avioane.

În cazul bateriilor cu stare solidă, deteriorarea cauzată de supraîncălzire este prevenită prin utilizarea electroliților ceramici mai degrabă decât a celor inflamabili, lichizi. Dacă bateria este deteriorată și începe să se supraîncălzească, electrolitul ceramic nu se aprinde, ceea ce împiedică să ia foc. Porii din structura acestor materiale solide le permit, de asemenea, să transporte o sarcină mult mai mare de sarcină electrică, cu ionii care se deplasează printr-o rețea extinsă în interiorul solidului.

Aceste caracteristici înseamnă că oamenii de știință au reușit să crească atât tensiunea, cât și capacitatea bateriilor lor în comparație cu cele care conțin electroliți lichidi inflamabili. De fapt, a spus profesorul Sadoway: „Am demonstrat o celulă litiu-aer cu 12 volți care funcționează la 90 de grade C [194 °F]. Aceasta este mai mare decât a realizat oricine altcineva”.

Acest nou design de baterie are alte avantaje potențiale față de electroliții inflamabili, inclusiv faptul că electroliții ceramici sunt în general mai stabili decât cei organici. „Lucru uimitor este cât de bine a funcționat”, a spus profesorul Sadoway. „Avem mai multă energie din această celulă decât am pus în ea”.

Această stabilitate ar putea permite producătorilor să împacheteze un număr mare de celule cu stare solidă în laptopuri sau mașini electrice fără a fi nevoiți să-și facă griji cu privire la supraîncălzirea acestora, făcând dispozitivele mult mai sigure și prelungindu-le viața funcțională. În prezent, dacă aceste tipuri de baterii se supraîncălzesc, ele riscă să ia foc - așa cum sa întâmplat recent cu telefonul Samsung Galaxy Note 7. Flăcările rezultate nu se vor putea răspândi, deoarece nu există aer în interiorul celulelor care să susțină arderea; într-adevăr, acestea nu s-ar putea răspândi dincolo de locul pagubei inițiale.

Aceste materiale solide sunt, de asemenea, foarte rezistente; în schimb, unele încercări de a face baterii litiu-ion cu electroliți lichizi inflamabili, care funcționează la temperaturi mai ridicate (peste 100°C) iau foc în mod obișnuit după 500 sau 600 de cicluri. Electroliții ceramici pot rezista la peste 7500 de cicluri de încărcare/descărcare fără să ia foc.”

Noile descoperiri ar putea fi extrem de importante atât pentru extinderea gamei de vehicule electrice, cât și pentru prevenirea incendiilor smartphone-urilor. Potrivit lui Sadoway: „Generațiile mai vechi de baterii aveau baterii de pornire cu plumb-acid [mașinilor]. Aveau o rază scurtă de acțiune, dar erau incredibil de fiabile”, a spus el adăugând că slăbiciunea lor neprevăzută era că „dacă se încălzește mai mult de aproximativ 60°C, atunci ar lua foc”.

Bateriile litiu-ion de astăzi, explică el, sunt cu un pas înainte de aceasta. „Au o rază lungă de acțiune, dar pot fi deteriorate de supraîncălzirea severă și de incendiu”, a spus el, adăugând că noua baterie cu stare solidă este potențial o „recunoaștere fundamentală”, deoarece ar putea duce la dispozitive mult mai fiabile și mai sigure.

Oamenii de știință de la MIT cred că această tehnologie ar putea dura cinci ani pentru a deveni utilizată pe scară largă, dar chiar și de anul viitor speră să vadă astfel de baterii montate în smartphone-uri de la producători mari precum Samsung sau Apple. Ei au remarcat, de asemenea, că există multe utilizări comerciale pentru aceste celule, în afară de telefoane, inclusiv laptopuri și vehicule electrice.

Cu toate acestea, profesorul Sadoway avertizează că mai este ceva de parcurs înainte ca tehnologia să fie perfecționată. „Avem o celulă care arată cu adevărat excelent, dar este foarte devreme... Încă trebuie să facem celule cu electrozi de mare putere, la scară mare.”

Sadoway consideră că această descoperire va fi adoptată pe scară largă imediat, deoarece are potențialul nu numai de a alimenta vehiculele electrice cu o autonomie mult mai mare, ci și de a preveni incendiile smartphone-urilor. Poate mai surprinzătoare este predicția sa că bateriile cu stare solidă ar putea deveni universal utilizate în mai puțin de cinci ani, odată ce majoritatea producătorilor sunt convinși de siguranța și fiabilitatea lor.