Быстрозаряжаемые, безопасные батареи

Быстрозаряжаемые, безопасные батареи

26 ноября 2018 года — Университет Дэлавера — Представьте мир, где сотовные телефоны и переносные компьютеры могли бы заряжаться за минуты вместо часов, скручиваться и храниться в кармане, или упасть без каких-либо существенных повреждений. Это — возможно, по утверждению профессора университета Дэлавера Томаса Х. Иппса, но нет ещё материалов.

Что сдерживает технологию?

«Для стартёров необходимы более проводящие, гибкие и легковесные батареи» — говорит Иппс, профессор химической и биомолекулярной инженерии Томаса и Кип Гатшелла и профессора научного отделения по материалам и инженерии университета Дэлавера (УД).

Батареи должны быть также более устойчивы от воздействий и безопасны. В мае во Флориде взорвалась электронная сигарета и убила мужчину. Очевидно предположить, что этот неприятный инцидент мог произойти из-за проблем, связанных с батареей, согласно административному регулированию в США по пищевым продуктам и лекарственным средствам. Подобные проблемы беспокоят от Samsung Galaxy 7-ой модели и запасной силовой установки Boeing Dreamliner.

«Все эти вызовы пришли от батарей, имеющих проблемы с безопасностью и стабильностью, в стремлении улучшить характеристики» — говорит Иппс, эксперт в разработке и производстве проводящих мембран, полезных в электроэнергетике и в устройствах хранения.

Единственный путь преодоления вызова заключается в литий-ионных батареях для вышеупомянутых устройств, чтобы улучшить мембраны батарей и сопутствующих электролитов, разработанных для прохождения ионов лития, смещающих электрический заряд в цикле разряда-заряда батарей.

Группа Иппса в УД запатентовала идею улучшения параметров батареи, введением проходов полимерной мембране электролитов, позволяющих ионам лития быстрее перемещаться туда-назад.

Это большая идея, начинающаяся с малого.

Малая наука, большой эффект

Все начинается с полимеров, которые представляют собой материалы из маленьких молекул, нанизанных вместе, как бусы на ожерелье, чтобы создать длинную цепочку. Химически связывая две или более полимерных цепочек с различными свойствами, инженеры могут создать блок-полимеры, чтобы извлечь выгоду из основных характеристик обоих материалов.

Например, полистирол в чашке из пенополистирола относительно твердый и хрупкий, в то время как полиизопрен (из каучукового дерева) является вязким и мелассовидным. Когда эти два полимера химически связаны, инженеры могут создавать материалы для решения ежедневных проблем как автомобильные покрышки и резиновые ленты, изготовленные из материалов, сохраняющих форму, но стойких к воздействию и растягиваемых.

Г-н Иппс соприкоснулся с блок-полимерами ещё студентом в Массачусетском технологическом институте, работая в лаборатории профессора Паулы Хаммонд, и далее, когда работал в компании «Goodyear Tire & Rubber» под руководством г-на Адель Халааса, как стипендиат «GEM». Компания «Goodyear» использовала многокомпонентные полимеры для создания покрышек с большей эластичностью, удерживающих дорогу лучше, без потери характеристик или прочности.

С годами позже на работе в УД группа Ипсса предложила шагнуть далее и смогла реализовать использование наноструктуры (одна тысячная толщины человеческого волоса) этих полимеров, чтобы придать им определённые механические, тепловые и электропроводные свойства.

Одно из преимуществ блок полимеров в том, что они позволяют учёным объединять два или более компонента, которые часто химически несовместимы, означая, что они не смешиваются (вспомните масло и воду). Это преимущество, однако, может вызывать трудности в том, как обрабатывать материалы. Группа Иппса определила, что область сужения, где две цепи различных полимеров соединяются может способствовать смешению между несовместимыми материалами так, что обработка и производство становятся быстрее и дешевле, требуя меньше энергозатрат или меньше растворителя в производственном процессе.

Манипуляция сужением позволила исследователям контролировать также наноструктуры, формируемые блок полимерами. Путём включения сужений группа Иппса может создавать сети наноуровня, делая материалы батареи более проводящими, создавая нанопроходы и устраняя узкие места при перемещении, позволяя ионам двигаться с высокой скоростью, а полимеру быть более эффективным в приложении к батареям.

«Технически, нам желательно провести ион быстрее … это достижение в полимерах позволит выдать большую мощность батареи. Это должно позволить батареям заряжаться быстрее, способом, который также и безопасен. Мы ещё не достигли этого, но стремимся, как к цели» — сказал Иппс, запатентовавший концепцию в офисе экономических инноваций и партнёрства УД.

Он называет эту работу «дизайнерским достижением» в науке полимеров.

Прянка Кеткар, докторант по химической и биомолекулярной инженерии, стремится внести изменения в мир путём научных исследований. Г-жа Кеткар рассматривает исследовательскую группу Иппса как хорошую сферу приложения умственных способностей по проблемам, связанным хранением энергии.

В лабораторных экспериментах г-жа Кеткар и другие участники группы показали, что создание суженного региона между цепями полимерного электролита действительно увеличило ионную проводимость по ряду температур. К примеру, при комнатной температуре у соприкасающихся материалов проводимость вдвое выше, чем у не сопряжённых. Но это — не всё. Сопряжение улучшает также способность материала к обработке.

«Предшествовавшие методы увеличения проводимости сделали полимер твёрдым для обработки или использовалось больше химического растворителя, делая материал более горючим и менее дружелюбным к окружающей среде» — отмечает г-жа Кеткар. «Вот почему я действительно радуюсь этому новому достижению».

«Разработка полимеров полезна для литий-ионных батарей, но также применима для других перезаряжаемых устройств таких, как натрий-ионные и калий-ионные батареи» — говорит г-н Иппс. Другие применения охватывают использование сопряжённых полимеров для создания материалов, обрабатываемых при низких температурах или с меньшим количеством растворителя для покрышек, резиновых лент и адгезивов.

Будущие применения включают гибкие батареи.

С запуском технологических ракет г-н Иппс ожидает в последующие 5−10 лет использования во множестве устройств, которые станут гибкими и скручиваемыми, как сотовые телефоны и компьютеры.

«Единственный путь для этих работ, если все компоненты гибкие, включая батареи и силовые устройства, не только корпус, экран или кнопки» — добавляет г-н Иппс. «Это аспект, где блок полимеры становятся действительно идеальными, как резиновая лента, сохраняющая свою форму, несмотря на растяжку, изгиб и другие манипуляции, для полимеров, делая внутренние компоненты более стойкими к воздействиям и критическому намоканию, улучшая срок службы телефона».

Для дизайнера полимеров могут быть также и другие применения.

«Что, если в футбольном мяче был бы датчик, разработанный для предупреждения чиновников, когда игрок пересекает определенный уровень, скажем, для первого удара?» — говорит г-н Иппс. «Вам не нужно будет полагаться на просмотр на игровом поле или на мгновенное воспроизведение».

Но футболисты перемещаются, и игроки, которые их удерживают, часто попадают.

«Вам нужно что-то, что не будет разрушаться или вытекать, поэтому, использование полимера, имеющего оговоренные свойства, резиновой ленты, которая может проводить ионы как батарея, будет превосходным решением» — добавил г-н Иппс. «Этот путь является одним из направлений, в котором можно представить расцвет этих материалов». Г-н Иппс недавно объявлен членом Королевского научного общества по химии, базирующегося в Соединённом Королевстве. Для получения этого звания учёные должны сделать вклад в химические науки.

Финансирование этой работы осуществляется Энергетическим департаментом США по программе основных энергетических наук, Национальным Научным Фондом в отделении исследований материалов и компанией Samsung. Работа г-на Иппса включает взаимодействие с Национальным институтом стандартов и технологии, Центром УД для ядерных наук и Лизой Холл, взаимодействующим профессором по химии и биомолекулярной инженерии государственного университета в Огайо.

***********************

Компания «БалтМедиа Партнёр» ООО в коммерческом партнёрстве с коллегами помогает

внедрению и освоению эффективной техники на российском рынке производителей электроники.

По вопросам, связанным с производством электронной продукции, просьба использовать контакт:

Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, д.206

Тел. +7 (921) 895−14−22

Электронная почта: office@bmptek.ru

Управляющий проекта — Алексей Леонов