Elastyczne i wydajne baterie bez litu

Badacze z Rice University – prywatnej uczelni w Stanach Zjednoczonych, opracowali nowy typ baterii, który można montować w giętkich urządzeniach. Bardzo cienkie ogniwo zasilające w postaci elastycznej warstwy łączy w sobie najlepsze cechy baterii i superkondensatorów. Porowate elektrody stworzone z fluorku niklu (NiF2) otoczone są stałym elektrolitem. Innowacyjna technologia bez udziału litu może potencjalnie zostać wykorzystana w produkcji smartfonów wyginanych w dowolną stronę oraz tzw. “ubieralnych” gadżetów elektronicznych.

Smartwatche, czyli „inteligentne zegarki”, spełniające wszystkie funkcje tradycyjnego zegarka elektronicznego oraz dodatkowo posiadające niektóre funkcje smartfonu ostatnimi czasy stały się niezwykle popularne. Jednym z najbardziej ograniczających ich funkcjonalność i przydatność czynników jest żywotność baterii. Są one zazwyczaj sztywne, ciężkie i nieporęczne, dlatego nie każdy czuje się komfortowo nosząc je na nadgarstku przez cały dzień. Elastyczne baterie to bardzo atrakcyjna perspektywa, która może doprowadzić do szybszego upowszechnienia “ubieralnych urządzeń”. Technika zaprezentowana przez naukowców z Rice wygląda obiecująco, a testy giętkich baterii nie zawierających litu wypadły pomyślnie. Szczegółowe wyniki badań zostały opisane w najnowszym wydaniu czasopisma Journal of American Chemical Society.

Zespół badawczy przez kilka miesięcy poszukiwał odpowiedniej kompozycji materiałów, która pozwoliłaby im na stworzenie aparatury o elastyczności grafenu, nanorurek węglowych czy polimerów przewodzących z jednoczesnym zachowaniem wysokiej pojemności typowej dla nieorganicznych związków metali. Tym ostatnim brakowało dotychczas elastyczności, czego powodem jest kruchość tego typu materiałów.

Nowatorskie urządzenie zaproponowane przez inżynierów z Houston składało się z dwóch elektrod o wysokiej wydajności, pomiędzy którymi znajdował się stały elektrolit. Podstawę produkcji baterii o strukturze “kanapkowej” stanowiło podłoże z politereftalanu etylenu (35 mikrometrów), czyli popularnego PETu stosowanego do fabrykacji butelek i opakowań. Na umocnienie naniesiono warstwę chromu o grubości 10 nanometrów odpowiadającą za adhezję pozostałych składników. Następnie położono przewodzącą powłokę ze złota (40 nanometrów). Na tak przygotowane podłoże osadzono warstwę fluorku niklu (z ang. nickel fluoride, NiF2) o grubości 900 nanometrów. Na NiF2 za pomocą metody trawienia wyryto regularnie rozmieszczone pory o średnicy 5 nanometrów. Wpłynęło to na zwiększenie powierzchni właściwej, a tym samym na możliwości magazynowania energii. Obie elektrody zostały szczelnie zamknięte i połączone ze sobą dzięki stałemu roztworowi KOH/PVA (wodorotlenku potasu i alkoholu winylowego). Całkowita grubość urządzenia wraz z warstwami PET wyniosła około 170 mikrometrów. Dodatkowo, w celu uniknięcia rozpadu KOH rozpuszczonego w stałej matrycy z PVA (może on wystąpić jako skutek ekspozycji na wilgoć i CO2), krawędzie urządzenia podczas badań zostały zaklejone taśmą PTFE.

Elektrody z fluorku niklu połączone stałym elektrolitem, łączą w sobie najlepsze cechy baterii oraz superkondensatorów [4].

Przeprowadzone testy wykazały, że po 10 000 cyklach ładowania i rozładowania oraz 1000 cyklach zginania bateria wciąż miała 76% pojemności początkowej. Według naukowców, urządzenie funkcjonowało jak bateria, mimo iż budową przypominało superkondensatory. W dodatku, w zależności od natężenie prądu mogło być ładowane bardzo szybko lub wolniej, co przekładało się także na wartości jego rozładowywania. Gęstość energetyczna na jednostkę masy nowej baterii wynosiła 384 Wh/kg, a gęstość mocy 112 kW/kg.

Badacze poinformowali, że technika tworzenia elastycznych elektrod może łatwo zostać przeniesiona z laboratorium do skali przemysłowej. Obecnie prowadzone są zaawansowane rozmowy z firmami zainteresowanymi komercjalizacją i produkcją nanoporowatych materiałów.

Źródło:
[1] Yang Yang, Gedeng Ruan, Changsheng Xiang, Gunuk Wang, James M. Tour. Flexible Three-Dimensional Nanoporous Metal-Based Energy Devices. Journal of the American Chemical Society, 2014; 140418142709000 DOI: 10.1021/ja501247f
[2] http://news.rice.edu/2014/04/28/flexible-battery-no-lithium-required/ [05.05.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja501247f [05.05.2014]
[4] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/ja501247f/suppl_file/ja501247f_si_001.pdf [05.05.2014]
[5] FLEX-5-web by Jeff Fitlow/Rice University, Press Release
[6] FLEX-4-web by Jeff Fitlow/Rice University, Press Release