Ученые изобрели гибкую литиевую батарею, которую можно гнуть, резать или прокалывать, и она все равно будет работать

Звучит почти как фантастика, правда? Но ученые действительно разработали литиевый аккумулятор, который можно растягивать, сгибать, резать и даже протыкать. Конечно, по мощности он пока не рекордсмен, но вот по живучести вполне может потягаться со стандартными литий-ионными батареями, к которым мы все привыкли.

Ведь в чем проблема обычных аккумуляторов, тех, что стоят в наших телефонах и электромобилях? Они довольно нежные создания. Их приходится упаковывать в жесткие, герметичные корпуса. И это не просто так: во-первых, чтобы защитить хрупкие компоненты от тряски и ударов, а во-вторых — чтобы внутрь не попал воздух. Дело в том, что электролит (та самая жидкая начинка батареи) в большинстве случаев горючий и токсичный.

Именно поэтому команда ученых из Калифорнийского университета в Беркли взялась за решение этой проблемы и изобрела гибкую, неядовитую батарейку, похожую на желе. Представьте себе, ее можно спокойно сгибать, скручивать и даже резать бритвой — ей хоть бы что.

Надо сказать, идея гибких батарей на гидрогелях (это такие гели с большим количеством воды) не нова. Но раньше у них была серьезная проблема: работали они недолго, в лучшем случае несколько дней. А вот прототип батареи команды профессора Ливэя Лина (он руководил исследованием) выдержал целых 500 циклов зарядки-разрядки. Это, на минуточку, примерно столько же, сколько «живет» аккумулятор в вашем смартфоне.

Вода — друг или враг?

«Почему обычные батареи такие «дубовые»? — поясняет Лин. — Да потому что электролит внутри них — штука взрывоопасная. Мы же хотели сделать батарею, которая была бы безопасна и без этой брони». Проблема в том, что гибкая упаковка, скажем, из полимеров, легко пропускает воздух и воду. А они, вступая в реакцию с обычным электролитом, могут вызвать перегрев, а то и пожар. Вот почему еще в 2017 году ученые взялись экспериментировать с гидрогелями — веществами, которые вроде и гель, но ведут себя почти как твердые.

Представьте себе сетку из полимеров, которая держит форму. Чтобы эта сетка не разваливалась, ее «сшивают» специальными веществами (например, бурой) или водородными связями. Внутри этой сетки — вода, а в воде растворены соль или другие добавки, которые поставляют ионы (заряженные частицы) — они-то и бегают туда-сюда, когда батарея заряжается или разряжается.

Но и тут не обошлось без сложностей. Во-первых, так называемое окно электрохимической стабильности у таких гидрогелей было узковато. Проще говоря, это безопасный диапазон напряжения, при котором электролит не начинает разлагаться. А это напрямую влияет на то, сколько вольт выдаст батарея. «Современным гаджетам нужно где-то 3,3 вольта, значит, стабильность электролита должна быть выше, вольта четыре», — объясняет Пэйшэн Хэ, ведущий автор исследования. А вода, которая была основой тех гидрогелей, начинает «распадаться» на водород и кислород уже при 1,2 вольтах.

Было предложено оригинальное решение: использовать очень концентрированный раствор солей лития, да еще и с большим количеством фтора. Такая «соленая» вода разлагается хуже. Но возникла другая проблема: фторированные соли лития — штука довольно токсичная.

Так что перед Лин, Хэ и их коллегами стояла непростая задачка: сделать гидрогелевую батарею, которая бы стабильно работала при напряжении выше 3 вольт и при этом не была бы опасной, если ее повредить.

Гидрогели с низким содержанием воды

В основе их новой батареи — хитрый полимер, у которого есть и плюсы, и минусы (в смысле, и положительные, и отрицательные заряды — такие называют цвиттерионными). Молекулы воды «прилипают» к любым заряженным участкам этого полимера, а ионы лития — к отрицательно заряженным. Получается, полимер крепко держит воду (она не разлагается при высоком напряжении), но при этом легко отдает ионы лития, когда это нужно для работы батареи. Чтобы гель держал форму, добавили акриловую кислоту, а ионы лития поставляет соль, но уже без всякого фтора.

На каждой панели показаны различные механические воздействия на гибкую батарею, производимые руками в синих стерильных перчатках: сгибание, скручивание, прокалывание, разрезание. Источник: He et al.

Кстати, соль тут играет еще одну важную роль: она сама тянет влагу прямо из воздуха. Обычно как делают гидрогель? Берут полимер, который любит воду, «сшивают» его и замачивают. В итоге воды в нем — процентов 80. Но команде из Беркли столько воды было не нужно (помним про проблему разложения). Поэтому они поступили проще: оставили полимерную основу просто полежать на воздухе, и она сама набрала нужную влагу.

В итоге получился электролит, где воды всего 19%. Он отлично себя чувствует при обычной комнатной влажности (около 50%). Из этого электролита и электродов собрали рабочую батарейку — она спокойно питала плату с несколькими светодиодами. Причем работала больше месяца без всякой герметичной упаковки при напряжении больше 3,1 вольта — почти как коммерческие аналоги!

И тут началось самое интересное: испытания на прочность.

Мягкие батареи, которые сами себя «лечат»

Эту желеобразную батарейку скручивали на 180 градусов, сгибали, кололи иглой, резали бритвой — а светодиоды продолжали гореть. Более того, она еще и умеет самовосстанавливаться. Ученые разрезали ее пополам, потом соединили половинки и немного прогрели в печке — батарея восстановила 90% своей первоначальной емкости. А поскольку этот хитрый электролит не боится воздуха (в отличие от других гидрогелей), то и 500 циклов зарядки-разрядки он выдержал без проблем.

Но, конечно, есть и минусы. Хорошая коммерческая батарея после 500 циклов обычно сохраняет 80% емкости. А эта мягкая — только около 60%. Так что есть над чем работать. Другой момент — плотность энергии (сколько энергии помещается в батарейку). «Тут мы пока уступаем современным батареям примерно в десять раз, — признает Хэ. — Нужно оптимизировать. Возможно, придется пожертвовать какими-то свойствами, вроде самовосстановления, ради большей емкости».

Хотя профессор Лин смотрит на это иначе. «Да, плотность энергии ниже, но это не вся история, — говорит он. — Вот у вас есть умные часы. Батарейка внутри, а ремешок выполняет чисто механическую функцию. А представьте, если сам ремешок сделать из нашей батареи? Площадь больше, объем больше. И часы нужно будет заряжать не раз в день, а, может быть, раз в неделю».

Подробности можно найти в статье журнала Science Advances, DOI: www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu3711

Источник: science.org