Oczekuje się, że guma zastąpi tradycyjne materiały i stanie się kluczowym materiałem dla następnej generacji akumulatorów półprzewodnikowych

Aby pojazdy elektryczne (EV) stały się powszechne, potrzebują opłacalnych, bezpieczniejszych i trwalszych baterii, które nie wybuchają ani nie szkodzą środowisku podczas użytkowania. Naukowcy z Georgia Institute of Technology mogli znaleźć obiecującą alternatywę dla konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych:guma.

Elastomery, czyli kauczuk syntetyczny, są szeroko stosowane w produktach konsumenckich i zaawansowanych technologiach, takich jak elektronika do noszenia i miękkie roboty, ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne. Naukowcy odkryli, że gdy materiał jest formowany w strukturę 3D, działa jak superautostrada do szybkiego transportu jonów litu, o doskonałej wytrzymałości mechanicznej, która umożliwia dłuższe ładowanie akumulatorów i jazdę dalej. Badania przeprowadzono we współpracy z Koreańskim Zaawansowanym Instytutem Nauki i Technologii i zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.

W konwencjonalnej baterii litowo-jonowej jony są poruszane przez ciekły elektrolit. Jednak takie baterie są z natury niestabilne: nawet najmniejsze uszkodzenie może przeniknąć do elektrolitów, prowadząc do wybuchu lub pożaru. Obawy o bezpieczeństwo zmusiły przemysł do skupienia się na bateriach półprzewodnikowych, które można wytwarzać z nieorganicznych materiałów ceramicznych lub polimerów organicznych.
„Większość branż koncentruje się na wytwarzaniu stałych elektrolitów nieorganicznych. Ale są one trudne do wykonania, drogie i nieprzyjazne dla środowiska” – mówi Seung Woo Lee, profesor nadzwyczajny w George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, który był częścią zespołu badawczego. który stwierdził, że organiczny polimer na bazie gumy jest lepszy od innych materiałów. Stałe elektrolity polimerowe nadal cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich niski koszt produkcji, nietoksyczne i miękkie właściwości. Jednak konwencjonalne elektrolity polimerowe nie mają wystarczającej przewodności jonowej i stabilności mechanicznej, aby zapewnić niezawodne działanie akumulatorów półprzewodnikowych.
Nowatorski projekt 3D zapewnia skok w gęstości energii i wydajności
Wykorzystano inżynierów Georgia Techgumaelektrolity do rozwiązywania typowych problemów (powolny transport jonów litu i słabe właściwości mechaniczne). Kluczowym przełomem było umożliwienie materiałom tworzenia trójwymiarowych (3D) połączonych ze sobą faz krystalicznych z tworzywa sztucznego w wytrzymałej gumowej matrycy. Ta unikalna struktura zapewnia wysoką przewodność jonową, doskonałe właściwości mechaniczne i stabilność elektrochemiczną.
Elektrolit gumowy można wytwarzać w niskich temperaturach w prostym procesie polimeryzacji, który zapewnia mocną i gładką powierzchnię styku na powierzchni elektrody. Te wyjątkowe właściwości gumowego elektrolitu zapobiegają wzrostowi dendrytów litu i umożliwiają szybszy ruch jonów, umożliwiając niezawodną pracę akumulatorów półprzewodnikowych nawet w temperaturze pokojowej.
Guma, stosowany wszędzie ze względu na swoje wysokie właściwości mechaniczne, umożliwi nam wytwarzanie tańszych, bardziej niezawodnych i bezpieczniejszych akumulatorów. Wyższa przewodność jonów oznacza, że ​​możesz jednocześnie przenosić więcej jonów, a zwiększając specyficzną energię i gęstość energii tych akumulatorów, możesz zwiększyć zasięg pojazdu elektrycznego.

Naukowcy pracują obecnie nad sposobami poprawy wydajności baterii, wydłużeniem czasu jej cyklu i skróceniem czasu ładowania dzięki lepszej przewodności jonowej. Jak dotąd ich wysiłki zaowocowały dwiema poprawami wydajności baterii/czasu cyklu.

Prace te mogą wzmocnić reputację Gruzji jako centrum innowacji dla pojazdów elektrycznych. SK Innovation, globalna firma energetyczna i petrochemiczna, finansuje dodatkowe badania nad materiałami elektrolitowymi w ramach stałej współpracy z Instytutem w celu budowy akumulatorów półprzewodnikowych nowej generacji, które są bezpieczniejsze i bardziej energochłonne niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. SK Innovation ogłosił niedawno budowę nowej fabryki akumulatorów do pojazdów elektrycznych w Commerce w stanie Georgia, która ma produkować 21,5 gigawatogodzin akumulatorów litowo-jonowych rocznie do 2023 roku.
Akumulatory całkowicie półprzewodnikowe mogą znacznie poprawić przebieg i bezpieczeństwo pojazdów elektrycznych. Szybko rozwijające się firmy zajmujące się akumulatorami, w tym SK Innovation, postrzegają komercjalizację całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów jako zmianę zasad gry na rynku pojazdów elektrycznych. Kyounghwan Choi, dyrektor Centrum Badawczego Akumulatorów Nowej Generacji SK Innovation, powiedział: „Istnieją duże nadzieje na szybkie zastosowanie i komercjalizację całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów dzięki trwającemu projektowi we współpracy z SK Innovation i profesorem Seung Woo Lee z Georgia Institute technologii."