Исследователи разработали тонкую пластиковую мембрану, которая предотвращает разрядку перезаряжаемых батарей, когда они не используются, и обеспечивает быструю подзарядку.
Запатентованная технология контролирует, как заряд течет внутри батареи, и была вдохновлена тем, как мембраны живых клеток переносят белки в организме. Он может найти применение в мощных «суперконденсаторах» для электромобилей и даже помочь предотвратить пожары, от которых в последнее время страдают некоторые модели ховербордов.
В журнале Energy & Environmental Science инженеры Университета штата Огайо описывают «умную» мембрану, которая, как они надеются, позволит разработать новую категорию быстро заряжающихся и мощных аккумуляторов под названием «окислительно-восстановительные транзисторные аккумуляторы» для автомобилей. который проедет дальше без подзарядки.
Попутно они проанализировали производительность ведущих аккумуляторов для гибридных и электрических автомобилей и обнаружили то, о чем, насколько им известно, никогда раньше не говорилось прямо. Похоже, что лучшие производители экологически чистых автомобилей достигли предела производительности, и этот предел составляет 0,4 мили - менее полумили езды - за минуту зарядки.
Иными словами, сегодня самые лучшие экологичные автомобили могут проехать около 200 миль после 8-часовой зарядки, в то время как автомобили с бензиновым двигателем могут преодолеть такое же расстояние всего за одну минуту, проведенную на заправке. Исследователи надеются, что их новая технология сможет увеличить скорость аккумуляторов электромобилей до десятков миль в минуту.
«Это все еще на порядок меньше эквивалентного показателя в бензине, но с этого можно начать», - сказал Вишну-Баба Сундаресан, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Огайо и руководитель исследования..
Сундаресан сказал, что сегодняшние гибридные и электрические автомобили достигают предела производительности из-за того, как заряд хранится в обычных батареях. Он также считает, что его новая мембранная технология может быть единственным способом преодолеть этот предел, пока не будет разработана совершенно новая категория аккумуляторных электродов.
«Исследования за последние 50 с лишним лет были сосредоточены на совершенствовании химии электродов аккумуляторов для увеличения емкости», - сказал Сундаресан. «Мы сделали это, но увеличение мощности произошло за счет надежности и способности быстро заряжать и разряжать аккумуляторы. Дизайн электромобилей достаточно проработан, и мы знаем, что предел, которого они достигают, связан с химическим составом. литий-ионных аккумуляторов."
Sundaresan и докторант Трэвис Хери называют свое изобретение «ионным окислительно-восстановительным транзистором», и они используют его для разработки нового типа батареи, в которой энергия хранится в жидком электролите, которую люди могут заряжать или разряжать. и заправиться, как они заправляли бы бензобак.
Для ежедневных поездок на работу электролит можно просто регенерировать, подключив его к розетке на ночь или припарковав в гараже. Для длительных поездок вы можете слить использованный электролит и заправить аккумулятор, чтобы получить такой большой запас хода, к которому мы привыкли с двигателями внутреннего сгорания», - сказал Сундаресан.
"Мы считаем, что такая гибкость является убедительным аргументом в пользу уменьшения нашей зависимости от транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания."
Батареи, такие как литий-ионные батареи, уже имеют мембранные сепараторы, которые проводят заряд и физически отделяют анод и катод друг от друга, но даже лучшие из этих батарей со временем теряют заряд. Это потому, что мембраны не могут полностью предотвратить утечку заряда между анодом и катодом, объяснил докторант Трэвис Хери. Внутренние химические реакции называются саморазрядом.
В лучшем случае саморазряд медленно преобразует часть внутренней энергии батареи в тепло - постепенный расход энергии. В худшем случае утечка приведет к перегреву батарей и даже их возгоранию, как это недавно произошло с популярными ховербордами с литий-ионными двигателями и экологически безопасным парком самолетов Dreamliner компании Boeing..
Это явление называется тепловым разгоном, и существует очень мало способов остановить его, как только оно начнется. Но Сундаресан и Хери считают, что их мембрана при использовании со специально разработанным электронным блоком управления может остановить перенос заряда и предотвратить тепловой разгон в самом начале.
Дизайн вдохновлен клеточными мембранами в организме, которые открываются и закрываются, позволяя клеткам выполнять биологические функции. Отверстия в клеточной стенке реагируют на электрический заряд молекул, расширяясь или сжимаясь, и именно этот принцип инженеры применили к умной мембране.
Они объединили электропроводящий полимер с поликарбонатным фильтром, используемым для тестирования воздуха и воды. Управляя ростом проводящих полимерных цепей на поверхности поликарбоната, исследователи обнаружили, что могут контролировать плотность отверстий в полученной мембране.
Когда батарея заряжается или разряжается, токопроводящий полимер сжимается, открывая отверстия. Когда батарея не используется, полимер набухает, закрывая отверстия.
В ходе лабораторных испытаний инженеры обнаружили, что их мембрана надежно контролирует зарядку и разрядку аккумуляторов, питаемых ионами лития, натрия и калия. Они подключили батареи к светодиодному фонарю, запрограммировав открытие и закрытие отверстий по точной схеме. Мембрана позволяла батареям нормально функционировать, но сводила к нулю потери заряда, когда батареи не использовались.
Университет предоставит промышленным предприятиям лицензию на технологию для дальнейшего развития.
Эта же технология может предотвратить саморазряд в суперконденсаторах, которые обеспечивают высокую мощность и возможность быстрой перезарядки некоторых электромобилей, автобусов и систем легкорельсового транспорта.
Хотя исследователи доказали, что мембрана работает с обычными батареями, Сундаресан и Хери больше всего хотят использовать ее в качестве основы для нового типа батареи. Они работают над объединением так называемой проточной окислительно-восстановительной батареи, в которой электролит перекачивается от анода к катоду для выработки энергии, с их умной мембраной для создания так называемой «окислительно-восстановительной транзисторной батареи».