Očekává se, že pryž nahradí tradiční materiály a stane se klíčovým materiálem pro příští generaci polovodičových baterií

Aby se elektrická vozidla (EV) dostala do hlavního proudu, potřebují nákladově efektivní, bezpečnější baterie s delší životností, které během používání neexplodují a nepoškozují životní prostředí. Výzkumníci z Georgia Institute of Technology možná našli slibnou alternativu ke konvenčním lithium-iontovým bateriím:pryž.

Elastomery nebo syntetický kaučuk se díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem široce používají ve spotřebních výrobcích a pokročilých technologiích, jako je nositelná elektronika a měkké roboty. Vědci zjistili, že když je materiál formulován do 3D struktury, funguje jako superdálnice pro rychlý transport iontů lithia s vynikající mechanickou odolností, která umožňuje bateriím nabíjet déle a jít dál. Výzkum byl proveden ve spolupráci s Korea Advanced Institute of Science and Technology a je publikován v časopise Nature.

V běžné lithium-iontové baterii se ionty pohybují pomocí kapalného elektrolytu. Takové baterie jsou však ze své podstaty nestabilní: i sebemenší poškození může uniknout do elektrolytů, což vede k výbuchu nebo požáru. Bezpečnostní obavy přinutily průmysl zaměřit se na polovodičové baterie, které mohou být vyrobeny z anorganických keramických materiálů nebo organických polymerů.
"Většina průmyslových odvětví se zaměřuje na výrobu anorganických pevných elektrolytů. Ale je těžké je vyrobit, jsou drahé a nejsou šetrné k životnímu prostředí," říká Seung Woo Lee, docent na George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, který byl součástí výzkumného týmu. který zjistil, že organický polymer na bázi kaučuku je lepší než jiné materiály. Pevné polymerní elektrolyty nadále přitahují velký zájem kvůli jejich nízkým výrobním nákladům, netoxickým a měkkým vlastnostem. Běžné polymerní elektrolyty však nemají dostatečnou iontovou vodivost a mechanickou stabilitu k zajištění spolehlivého provozu polovodičových baterií.
Nový 3D design přináší skok v hustotě energie a výkonu
Použili inženýři Georgia Techpryželektrolyty k řešení běžných problémů (pomalý transport iontů lithia a špatné mechanické vlastnosti). Klíčovým průlomem bylo umožnit materiálům tvořit trojrozměrné (3D) propojené plastové krystalické fáze v robustní pryžové matrici. Tato unikátní struktura přináší vysokou iontovou vodivost, vynikající mechanické vlastnosti a elektrochemickou stabilitu.
Pryžový elektrolyt lze vyrobit při nízkých teplotách pomocí jednoduchého polymeračního procesu, který vytváří pevné a hladké rozhraní na povrchu elektrody. Tyto jedinečné vlastnosti pryžového elektrolytu zabraňují růstu lithiových dendritů a umožňují rychlejší pohyb iontů, což umožňuje spolehlivý provoz baterií v pevné fázi i při pokojové teplotě.
Pryž, všude používaný pro své vysoké mechanické vlastnosti, nám umožní vyrábět levnější, spolehlivější a bezpečnější baterie. Vyšší iontová vodivost znamená, že můžete pohybovat více iontů současně a zvýšením specifické energie a energetické hustoty těchto baterií můžete zvýšit dojezd elektrického vozidla.

Vědci nyní pracují na způsobech, jak zlepšit výkon baterie, prodloužit dobu jejího cyklu a zkrátit dobu nabíjení díky lepší iontové vodivosti. Jejich úsilí zatím vedlo ke dvěma vylepšením výkonu baterie/doby cyklu.

Tato práce by mohla zlepšit pověst Gruzie jako inovačního centra pro elektrická vozidla. SK Innovation, globální energetická a petrochemická společnost, financuje další výzkum elektrolytických materiálů v rámci své pokračující spolupráce s Institutem na výrobě polovodičových baterií nové generace, které jsou bezpečnější a energeticky náročnější než tradiční lithium-iontové baterie. SK Innovation nedávno oznámila výstavbu nové továrny na baterie pro elektromobily v Commerce ve státě Georgia, která by měla do roku 2023 vyrábět 21,5 gigawatthodiny lithium-iontových baterií ročně.
Plně polovodičové baterie by mohly výrazně zlepšit kilometrový výkon a bezpečnost elektrických vozidel. Rychle rostoucí společnosti vyrábějící baterie, včetně SK Innovation, vidí komercializaci polovodičových baterií jako změnu hry na trhu ev. Kyounghwan Choi, ředitel výzkumného centra baterií nové generace společnosti SK Innovation, řekl: „Existují velké naděje na rychlou aplikaci a komercializaci polovodičových baterií prostřednictvím probíhajícího projektu ve spolupráci s SK Innovation a profesorem Seung Woo Lee z Georgia Institute. technologie."