Твердотільні батареї вже давно вважають «наступним великим кроком» у розвитку акумуляторів — вони безпечніші, стабільніші та потенційно потужніші за звичайні літій-іонні. Але є одна серйозна проблема: усередині твердого електроліту літієві іони рухаються надто повільно. Саме це гальмує швидке заряджання й заважає масовому впровадженню технології.
Дослідники з Університету штату Кеннесо (Kennesaw State University) запропонували несподіване, але перспективне рішення — хімічно «підштовхнути» іони за допомогою сірки.
У чому проблема твердотільних батарей
У традиційних акумуляторах іони літію переміщуються крізь рідкий електроліт. Він добре проводить заряд, але водночас є легкозаймистим і чутливим до перегріву. Твердотільні батареї замінюють рідину на тверду речовину, що суттєво знижує ризик загоряння та робить акумулятор стабільнішим.
Та за безпеку доводиться платити: у твердих матеріалах іони рухаються повільніше, немов пробираються через вузькі коридори замість вільної дороги. Це обмежує швидкість заряджання і загальну продуктивність.
Сірка як «змащення» для іонів
Команда під керівництвом Бейбей Цзян, доцентки кафедри електричної та комп’ютерної інженерії, працює над композитним твердим електролітом, який поєднує керамічні та полімерні матеріали. Замість повного переосмислення конструкції батареї вчені зосередилися на тому, щоб поліпшити «шви» між цими матеріалами.
Рішенням стало додавання сірковмісних хімічних груп. Вони зменшують опір на межах між керамікою та полімером, завдяки чому іони літію можуть рухатися значно вільніше.
«Уявіть, що іони — це автомобілі, а електроліт — дорога, — пояснює Цзян. — Наша сірчана модифікація ніби вирівнює цю дорогу, прибираючи ями та затори. У результаті іони рухаються швидше, а батарея заряджається ефективніше».
Неочікуване відкриття
Під час експериментів команда помітила ще один важливий ефект — сильну взаємодію між сіркою та цирконієм у керамічній частині електроліту. Раніше такого зв’язку в контексті твердотільних батарей не описували.
Цікаво, що відкриття сталося майже випадково: під час одного з тестів реакція відбулася значно швидше, ніж очікували, і ледь не вийшла з-під контролю. Замість того щоб списати результат на помилку, дослідники розібралися в причинах і навчилися керувати процесом.
Від лабораторії до реальних батарей
Основні роботи ведуться в лабораторії на кампусі Марієтта. Студенти самі синтезують матеріали, збирають прототипи та тестують їх у форматі так званих «монетних» батарей. Проєкт підтримується грантом Національного наукового фонду США на 200 тисяч доларів.
Поки що мова йде про ранню стадію розробки. Головне завдання — довести, що новий електроліт стабільний, надійний і працює в довготривалій перспективі. Якщо це вдасться, технологію можна буде масштабувати для електромобілів, систем зберігання енергії та споживчої електроніки.
Твердотільні батареї ще не готові витіснити звичайні акумулятори, але сірчаний «тюнінг» може стати тим самим поштовхом, який наблизить їх до масового використання. Джерело