Современные литиевые батареи легко выходят из строя при повреждениях — вплоть до возгорания. Для решения этой проблемы ученые из США и Гонконга разработали гибкий аккумулятор, который можно сгибать, резать и прокалывать без потери работоспособности. Эта технология может стать ключевой для носимой электроники, мягких роботов и медицинских имплантатов. Ниже расскажу, что это вообще такое и какие перспективы открывает изобретение.
Что не так с обычными батареями?
Литий-ионные аккумуляторы — основа современной электроники. Они используются повсеместно: в смартфонах, ноутбуках, электромобилях. Но при всех достоинствах у таких батарей есть серьезные недостатки.
Корпус литий-ионного аккумулятора достаточно жесткий, а внутри находится жидкий электролит, который легко воспламеняется при повреждении. Стоит проколоть корпус — и возможно самовозгорание. Получается, такие аккумуляторы не подходят для устройств, которые должны сгибаться или менять форму — например, для носимой электроники, умной одежды или мягких роботов.
Ученые комментируют, что традиционные литиевые аккумуляторы требуют жесткой и герметичной оболочки из-за опасных свойств жидких электролитов: при контакте с воздухом или влагой они могут выделять тепло и даже воспламеняться. Тут все логично, обойти ограничения сложно. Были, кстати, попытки заменить такую упаковку на гибкие материалы вроде полимеров, но их ждало фиаско: внутреннаяя начинка была недостаточно изолирована от внешней среды. Поэтому еще в 2017 году команда проекта, о котором и идет речь сегодня, начала искать безопасную альтернативу и сосредоточилась на квазитвердых гидрогелевых электролитах.
Это особые материалы, в которых жидкость (обычно вода с растворенными солями) удерживается внутри полимерной сетки. Такая структура делает электролит более стабильным и менее текучим, чем в классических батареях с жидким наполнением. Благодаря этому гидрогели могут сочетать проводимость с гибкостью и безопасностью, особенно в сочетании со специфическими полимерами (об этом ниже).
Только такие батареи работали лишь при низком напряжении — около 1,2 В. При повышении этого показателя вода в составе гидрогеля разлагалась на кислород и водород в результате электролиза.
Выход есть
Команда исследователей под руководством Пейшена Хе из Центра сенсоров и актуаторов Калифорнийского университета в Беркли представила гидрогелевый электролит нового типа. С ним специалисты разработали батарею, которая умеет растягиваться и выдерживает механические повреждения: изгиб, разрезание или прокол.
Главное здесь — создание гидрогеля с низким содержанием воды — всего 19% против типичных 80% в традиционных электролитах. Почему это хорошо? Как уже говорилось, при напряжении выше 1,2 В избыток воды в гидрогеле инициирует электролиз. Он сопровождается не только выделением газов, но и разрушением внутренней структуры аккумулятора. Чтобы избежать этого, исследователи использовали цвиттерионный полимер, который прочно связывает молекулы H2O, предотвращая их расщепление даже при напряжении выше 3 В. Это позволило значительно расширить окно электрохимической стабильности батареи.
Для создания гидрогеля команда применила акриловую кислоту в качестве сшивающего агента и электролит с нефторированной литиевой солью. Последняя не только обеспечивала движение ионов лития, но и играла важную дополнительную роль: вытягивала влагу из воздуха. Вместо того, чтобы погружать полимер в воду, как это делается обычно, исследователи позволили гидрогелю впитывать влагу из воздуха с влажностью около 50%.
Что в итоге?
Эксперименты подтвердили, что батарея сохраняет работоспособность даже после серьезных механических воздействий. Ее многократно сгибали, растягивали, складывали, скручивали, а также прокалывали иглой. Во всех случаях она продолжала стабильно функционировать без утечки электролита и без значимого падения напряжения. Такая устойчивость обусловлена особенностями конструкции: мягкая полимерная оболочка и квазитвердый гидрогель внутри эффективно распределяют нагрузку и предотвращают критическое повреждение внутренних компонентов.
Дополнительно исследователи проверили способность гидрогеля впитывать влагу из воздуха. При относительной влажности 50% оболочка поглощала всего 19% воды: гораздо меньше, чем в классических гидрогелях, где этот показатель может превышать 80%. Несмотря на это, уровень увлажненности оказался достаточным для нормальной и стабильной работы аккумулятора при напряжении 3,1 В, что значительно превышает упомянутый выше «порог смерти» в 1,2 В.
Но у технологии есть и слабые стороны: уже после 500 циклов зарядки емкость аккумулятора снижалась до 60% от исходной, тогда как у обычных литиевых батарей потери не превышают 20%. К тому же плотность запасаемой энергии у нового элемента составляет только около 10% от уровня современных решений.
Но ученые и не ставили цель разработать нечто, что превзойдет все батареи мира. Их задача — сделать источник питания для гибкой электроники, где важны легкость, безопасность и гибкость.
Перспективы технологии
Представьте: тонкая батарея, встроенная в умную футболку, которая следит за вашим пульсом, или в мягкого робота, способного двигаться, как медуза. А еще — имплантаты, которые годами работают внутри тела, не требуя замены. Для таких штук новая батарея — просто находка. Конечно, изобретение нужно дорабатывать, чтобы им заинтересовались крупные компании.
Во-первых, нужно величить емкость батареи, чтобы она могла конкурировать с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Во-вторых, разработчики заявили, что «коммерческая жизнеспособность зависит от множества факторов вроде масштабируемости производства и стоимости. То есть работы непочатый край. Ну и, конечно, разработку нужно будет тестировать в реальных условиях, чтобы убедиться в ее надежности при длительном использовании. Например, носимые устройства подвергаются постоянным деформациям, а это со временем может повлиять на стабильность гидрогеля.
Осталось дождаться, когда эти технологии выйдут из лабораторий и станут частью нашей жизни. Как считаете, получится? Или это очередной проект ради научной статьи?