Poslednjih nekoliko decenija istraživanje baterija se uglavnom fokusiralo na punjive litijum-jonske baterije, koje se koriste u svemu, od električnih automobila do prenosive elektronike, i dramatično su se poboljšale u pogledu pristupačnosti i kapaciteta. Ali nepunjive baterije su za to vreme doživele malo poboljšanja, uprkos njihovoj ključnoj ulozi u mnogim važnim upotrebama, kao što su medicinski uređaji za implantaciju kao što su pejsmejkeri.
Sada su istraživači sa MIT-a došli do načina da poboljšaju gustinu energije ovih nepunjivih ili „primarnih“ baterija. Kažu da bi to moglo da omogući do 50% produženja korisnog veka trajanja, ili odgovarajuće smanjenje veličine i težine za datu količinu snage ili energetskog kapaciteta, uz istovremeno poboljšanje bezbednosti, uz malo ili nikakvo povećanje troškova.
Nova otkrića, koja uključuju zamenu konvencionalno neaktivnog elektrolita baterije sa materijalom koji je aktivan za isporuku energije, objavljeni su danas u časopisu Proceedings of the National Academi of Sciences, u radu postdoktorskog saradnika MIT Kavanaugh Haining Gaoa, diplomiranog studenta Alehandra. Sevilja, vanredni profesor mašinstva Betar Gallant, i još četiri na MIT-u i Caltech-u.
Zamena baterije u pejsmejkeru ili drugom medicinskom implantu zahteva hiruršku proceduru, tako da svako povećanje dugovečnosti njihovih baterija može imati značajan uticaj na kvalitet života pacijenata, kaže Gallant. Primarne baterije se koriste za takve osnovne aplikacije jer mogu da obezbede oko tri puta više energije za datu veličinu i težinu od punjivih baterija.
Ta razlika u kapacitetu, kaže Gao, čini primarne baterije „kritičnim za aplikacije gde punjenje nije moguće ili je nepraktično“. Novi materijali rade na temperaturi ljudskog tela, pa bi bili pogodni za medicinske implante. Pored implantabilnih uređaja, uz dalji razvoj kako bi baterije funkcionisale efikasno na nižim temperaturama, aplikacije bi takođe mogle uključiti senzore u uređaje za praćenje pošiljki, na primer da bi se osiguralo da se zahtevi za temperaturu i vlažnost za pošiljke hrane ili lekova pravilno održavaju tokom isporuke proces. Ili, mogu se koristiti u daljinski upravljanim vazdušnim ili podvodnim vozilima koja moraju ostati spremna za raspoređivanje tokom dugih perioda.
Baterije pejsmejkera obično traju od pet do 10 godina, a čak i manje ako zahtevaju funkcije visokog napona kao što je defibrilacija. Ipak, za takve baterije, kaže Gao, tehnologija se smatra zrelom i „nije bilo velikih inovacija u fundamentalnoj ćelijskoj hemiji u poslednjih 40 godina“.
Ključ inovacije tima je nova vrsta elektrolita—materijala koji se nalazi između dva električna pola baterije, katode i anode, i omogućava nosiocima punjenja da prolaze sa jedne strane na drugu. Koristeći novo tečno fluorovano jedinjenje, tim je otkrio da mogu kombinovati neke od funkcija katode i elektrolita u jednom jedinjenju, nazvanom katolit. Ovo omogućava uštedu većeg dela težine tipičnih primarnih baterija, kaže Gao.
Iako postoje i drugi materijali osim ovog novog jedinjenja koji bi teoretski mogli da funkcionišu u sličnoj ulozi katolita u bateriji velikog kapaciteta, objašnjava Gallant, ti materijali imaju niže inherentne napone koji ne odgovaraju onima ostatka materijala u konvencionalnoj bateriji pejsmejkera. , tip poznat kao CFk.
Pošto ukupni izlaz iz baterije ne može biti veći od izlaza manjeg od dva materijala elektrode, dodatni kapacitet bi otišao u otpad zbog neusklađenosti napona. Ali sa novim materijalom, „jedna od ključnih zasluga naših fluorovanih tečnosti je da je njihov napon veoma dobro usklađen sa naponom CFk-a“, kaže Gallant.
U konvencionalnoj CFk bateriji, tečni elektrolit je neophodan jer dozvoljava naelektrisanim česticama da prođu sa jedne elektrode na drugu. Ali „ti elektroliti su zapravo hemijski neaktivni, tako da su u osnovi mrtva težina“, kaže Gao. To znači da je oko 50% ključnih komponenti baterije, uglavnom elektrolita, neaktivan materijal. Ali u novom dizajnu sa fluorovanim katolitnim materijalom, količina mrtve težine može se smanjiti na oko 20%, kaže ona.
Nove ćelije takođe obezbeđuju bezbednosna poboljšanja u odnosu na druge vrste predloženih hemija koje bi koristile toksične i korozivne katolitne materijale, što njihova formula nema, kaže Gallant. A preliminarni testovi su pokazali stabilan vek trajanja više od godinu dana, što je važna karakteristika za primarne baterije, kaže ona.
Do sada, tim još nije eksperimentalno postigao punih 50% poboljšanja u gustini energije predviđeno njihovom analizom. Pokazali su poboljšanje od 20%, što bi samo po sebi bio važan dobitak za neke aplikacije, kaže Gallant. Dizajn same ćelije još uvek nije u potpunosti optimizovan, ali istraživači mogu da projektuju performanse ćelije na osnovu performansi samog aktivnog materijala. „Možemo da vidimo da projektovane performanse na nivou ćelije kada se povećaju mogu dostići oko 50% veće od CFk ćelije“, kaže ona. Postizanje tog nivoa eksperimentalno je sledeći cilj tima.
Sevilja, doktorant na odseku za mašinstvo, fokusiraće se na taj posao u narednoj godini. „Doveden sam u ovaj projekat da pokušam da razumem neka od ograničenja zašto nismo bili u mogućnosti da postignemo punu moguću gustinu energije“, kaže on. „Moja uloga je pokušavala da popuni praznine u smislu razumevanja osnovne reakcije.“
Jedna velika prednost novog materijala, kaže Gao, je da se lako može integrisati u postojeće procese proizvodnje baterija, kao jednostavna zamena jednog materijala drugim. Preliminarni razgovori sa proizvođačima potvrđuju ovu potencijalno laku zamenu, kaže Gao. Osnovni polazni materijal, koji se koristi u druge svrhe, već je povećan za proizvodnju, kaže ona, a njegova cena je uporediva sa materijalima koji se trenutno koriste u CFk baterijama.
Cena baterija koje koriste novi materijal će verovatno biti uporediva sa postojećim baterijama, kaže ona. Tim je već podneo zahtev za patent na katolitu i očekuju da će medicinske aplikacije verovatno biti prve koje će biti komercijalizovane, možda sa prototipom u punoj veličini spremnim za testiranje na stvarnim uređajima u roku od godinu dana.
Dalje na putu, i druge aplikacije bi verovatno mogle da iskoriste prednosti novih materijala, kao što su pametni vodomeri ili gasomeri koji se mogu očitati na daljinu, ili uređaji kao što su EZPass transponderi, produžavajući njihov vek trajanja, kažu istraživači. Snaga za bespilotne letelice ili podvodna vozila zahtevala bi veću snagu i zbog toga može potrajati duže da se razvije. Druge upotrebe mogu uključivati baterije za opremu koja se koristi na udaljenim lokacijama, kao što su bušaće platforme za naftu i gas, uključujući uređaje koji se šalju u bušotine radi praćenja uslova.
