Большинство батарей состоит из твердотельных электродов, таких как литий-ионные батареи для портативной электроники, или из жидких электродов, включая проточные батареи для интеллектуальных сетей. Исследователи UT создали то, что они называют «полностью жидкометаллическими батареями при комнатной температуре», которые включают в себя лучшее из обоих миров жидких и твердотельных батарей.
Твердотельные батареи обладают значительной емкостью для хранения энергии, но они обычно сталкиваются с многочисленными проблемами, которые со временем приводят к их разложению и снижению эффективности.
Жидкостные батареи могут доставлять энергию более эффективно, без длительного разрушения устройств в состоянии продажи, но они либо не справляются с высокими потребностями в энергии, либо требуют значительных ресурсов для постоянного нагрева электродов и поддержания их в расплавленном состоянии.
По словам исследователей, металлические электроды в батарее команды могут оставаться в жидком состоянии при температуре 20 градусов по Цельсию (68 градусов по Фаренгейту), что является самой низкой рабочей температурой, когда-либо зарегистрированной для жидкометаллической батареи. Это представляет собой серьезное изменение, потому что современные жидкометаллические батареи должны храниться при температуре выше 240 градусов Цельсия.
«Эта батарея может обеспечить все преимущества как твердого, так и жидкого состояния, включая больше энергии, повышенную стабильность и гибкость, без соответствующих недостатков, а также экономит энергию», – сказал Юй Дин, научный сотрудник доцента Гуйхуа.
Исследовательская группа Ю на факультете машиностроения Уолкера. Дин – ведущий автор статьи о батарее при комнатной температуре, которую команда недавно опубликовала в Advanced Materials.
Батарея включает в себя натрий-калиевый сплав в качестве анода и сплав на основе галлия в качестве катода. В статье исследователи отмечают, что можно создать батарею с еще более низкими температурами плавления, используя другие материалы.
Батарея, работающая при комнатной температуре, обещает больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, которые являются основой большей части персональной электроники. По словам исследователей, он может заряжать и доставлять энергию в несколько раз быстрее.
Из-за жидких компонентов аккумулятор можно легко увеличивать или уменьшать в зависимости от необходимой мощности. Чем больше аккумулятор, тем большую мощность он может выдать. Такая гибкость позволяет этим батареям потенциально питать все, от смартфонов и часов до инфраструктуры, лежащей в основе движения к возобновляемым источникам энергии.
«Мы рады видеть, что жидкий металл может стать многообещающей альтернативой замене обычных электродов», – сказал профессор Ю. «Учитывая продемонстрированные высокие показатели энергии и плотности мощности, эта инновационная ячейка потенциально может быть реализована как для интеллектуальных сетей, так и для носимой электроники."
Исследователи потратили на этот проект более трех лет, но работа еще не завершена. Многие элементы, составляющие основу этой новой батареи, более многочисленны, чем некоторые из ключевых материалов в традиционных батареях, что делает их потенциально более легкими и менее дорогими для производства в больших масштабах. Однако галлий остается дорогим материалом.
Поиск альтернативных материалов, которые могут обеспечить такие же характеристики при снижении стоимости производства, остается ключевой задачей.
Следующим шагом к увеличению мощности батареи, работающей при комнатной температуре, является улучшение электролитов – компонентов, которые позволяют электрическому заряду проходить через батарею.
«Хотя наша батарея не может конкурировать с высокотемпературными жидкометаллическими батареями на данном этапе, ожидается, что лучшая мощность будет, если усовершенствованные электролиты будут спроектированы с высокой проводимостью», – сказал Дин.