Вчені розробили гнучкий та розтяжний літієвий акумулятор: новий етап у розвитку гнучкого зберігання енергії.

Вступ

Традиційні літій-іонні акумулятори обмежені жорсткими, герметичними корпусами, щоб захистити нестабільні електроліти та запобігти реакціям з повітрям, які можуть призвести до пожеж або вибухів. Однак ця незмінність створює суттєві труднощі для інтеграції в м’яку робототехніку, носимі пристрої та інші новітні технології. Команда дослідників з Університету Каліфорнії в Берклі розробила гнучкий акумулятор на основі літію, схожий на желе, який можна згинати, скручувати, різати або навіть колоти, зберігаючи при цьому свою працездатність.

Революційний гідрогелевий електроліт та хімія акумулятора

Одним з найцікавіших аспектів цього дослідження є новаторський гідрогелевий електроліт акумулятора. Звичайні гнучкі акумулятори, які використовували гідрогелеві електроліти, зазвичай мали дуже короткий термін служби — від кількох годин до кількох днів. Однак у цьому прориві акумулятор продемонстрував витривалість, порівнянну з типовими літій-іонними акумуляторами, витримуючи близько 500 повних циклів заряджання. Ця продуктивність подібна до акумуляторів комерційних смартфонів, але з додатковою перевагою надзвичайної механічної гнучкості.

Хімія акумулятора базується на звитеріонному полімері, який несе як позитивні, так і негативні заряди. Ця полімерна сітка покращує здатність матеріалу утворювати водневі зв’язки з водою, одночасно вибірково зв’язуючи літієві йони. Акрилова кислота виступає в ролі зшиваючого агента, зміцнюючи гідрогелеву сітку, зменшуючи вміст води до приблизно 19%. Завдяки цьому зменшенню вмісту води команда змогла значно розширити електрохімічне стабільне вікно до понад 3 вольт, що запобігає передчасному розподілу води (який зазвичай відбувається при напругах біля 1.2 вольт) і підтримує рівень напруги на рівні комерційних стандартів (приблизно 3.1 вольт).

Безпека, довговічність та механічна стійкість

Зазвичай літій-іонні акумулятори вимагають жорсткого корпусу для запобігання впливу легкозаймистих і токсичних електролітів. Інноваційне використання висококонцентрованого сольового розчину у поєднанні з літієвими солями без фтору в гідрогелі забезпечує безпечну роботу акумулятора, навіть без традиційного упаковки. Дослідники також впровадили унікальний процес, при якому гідрогелевий електроліт дозволяється поглинати вологу з навколишнього середовища, а не безпосередньо замочуватися. Цей дизайн з обмеженим вмістом води не лише допомагає підтримувати хімічну стабільність, але й значно зменшує ризик небажаних побічних реакцій.

Під час суворих механічних тестів акумулятор продовжував живити кола з LED-лампами навіть після того, як його скрутили на 180 градусів, зігнули, прокололи голкою або навіть розрізали бритвою. Додатковий самовідновлювальний механізм дозволив акумулятору відновити до 90% своєї початкової ємності після фізичних ушкоджень, хоча для цього знадобилося ручне втручання, таке як повторна збірка та прогрів. Незважаючи на ці досягнення, акумулятор наразі зберігає приблизно 60% своєї ємності після 500 циклів, що нижче від галузевого стандарту 80%. Ще одним викликом залишається відносно низька енергетична щільність — всього одна десята від того, що спостерігається в сучасних акумуляторах, що запрошує подальші дослідження для оптимізації компромісу між механічною гнучкістю та енергетичним виходом.

Глибший аналіз: Технічні специфікації та виклики

• Електрохімічне вікно: Новий гідрогелевий акумулятор може безпечно працювати при напрузі понад 3 вольти, що є критичним покращенням в порівнянні з попередніми гідрогелевими конструкціями, обмеженими проблемами розподілу води.
• Дизайн з обмеженим вмістом води: Утримуючи лише 19% води, акумулятор уникає швидкого погіршення через електроліз, що є поширеною проблемою в звичайних гідрогелях, які можуть містити до 80% води.
• Механічна витривалість: Здатність акумулятора витримувати фізичні деформації, включаючи згинання, скручування та різання, відкриває нові можливості для його використання в гнучкій електроніці та носимих пристроях.

Глибший аналіз: Думки експертів та майбутні покращення

Експерти в цій галузі, такі як Лівей Лін і Пейшенг Хе, підкреслюють, що хоча енергетична щільність наразі низька, інтеграція таких акумуляторів у повсякденні пристрої є балансом між розмірами та продуктивністю. Лін зазначив: «Ваш смарт-годинник живиться від акумулятора, але аксесуар — ремінець — виконує механічну функцію. Замінити його на гнучкий акумулятор може дозволити збільшити об’єм, потенційно подовжуючи інтервали заряджання з щоденних до щотижневих». Ця перспектива натякає на захоплююче майбутнє, де зберігання енергії не обмежується лише акумуляторами з високою щільністю.

Оскільки дослідження тривають, основні цілі полягають у покращенні енергетичного виходу акумулятора та циклічної довговічності. Проводяться дослідження з тестування альтернативних полімерів та зшивальних агентів, які можуть ще більше покращити іонну проводимість та механічну стійкість, при цьому намагаючись досягти енергетичної щільності, більш конкурентоспроможної з існуючими технологіями. Крім того, зменшення ризиків безпеки, пов’язаних з добавками для транспорту іонів, залишається ключовою метою дослідження.

Широкі застосування та вплив на ринок

Висновки цього дослідження виходять далеко за межі гнучких носимих пристроїв. Застосування в м’якій робототехніці, медичних пристроях і навіть у великих гнучких сонячних панелях тепер стають більш реальними, завдяки безпечній роботі акумулятора без необхідності жорсткої упаковки. Оскільки багато галузей прагнуть інтегрувати стійкі та надійні компоненти в легкі пристрої, такі інновації можуть переосмислити проектні обмеження, накладені традиційною технологією акумуляторів.

Останні тенденції в індустрії вказують на зростаючий інтерес до нових хімій акумуляторів та матеріалознавства, які підтримують адаптивні та стійкі системи зберігання енергії. Хоча нинішній розтяжний літієвий акумулятор все ще перебуває на початковій стадії з точки зору енергетичної щільності, продовження ітераційних покращень незабаром може дозволити йому живити ширший спектр сучасних пристроїв, від імплантованих сенсорів до переформатованих електронних шкір для робототехніки.

Висновок

Ця новаторська робота в UC Berkeley є значним кроком у напрямку справжніх гнучких систем зберігання енергії. Хоча такі виклики, як енергетична щільність і довгострокова збереження ємності, залишаються, продемонстрована безпека, адаптивність і інноваційне використання гідрогелевих електролітів роблять цей акумулятор перспективним кандидатом для майбутніх технологічних секторів, особливо в галузях носимої електроніки та м’якої робототехніки. З подальшими дослідженнями, які підтверджують ці знахідки та оптимізують матеріали, мрія про вбудовування гнучких енергетичних одиниць у повсякденні об’єкти стає ближчою до реальності, ніж будь-коли раніше.