Новый католитный материал химически превращается в более темное красное соединение по мере потери энергии. Исследователи Массачусетского технологического института
Перезаряжаемые литий-ионные элементы очень популярны в мире аккумуляторов, поскольку они питают все, от наших телефонов до электромобилей. Но с ростом их популярности с момента их коммерческого выпуска в 1990-х годах другой тип батарей отошел на второй план в исследованиях: неперезаряжаемые батареи. Это проблема, особенно учитывая, сколько устройств, таких как кардиостимуляторы, зависят от их функциональности. Исследователи Массачусетского технологического института надеются что-то сделать с этим пробелом, переориентировавшись на старые аккумуляторные системы и попытавшись улучшить их энергоемкость за счет использования нового типа электролита.
«Мы знаем, что нам нужны батареи с более высокой плотностью энергии, чтобы продлить срок службы таких устройств, как кардиостимуляторы», — говорит Хайнинг Гао, научный сотрудник Массачусетского технологического института. «Но за последние четыре десятилетия было очень мало инноваций. Итак, мы начали с этого».
Как правило, эти неперезаряжаемые варианты, также называемые первичными батареями, уже обладают более высокой энергоемкостью, чем перезаряжаемые, а это означает, что они являются хорошими кандидатами для таких продуктов, как медицинские имплантаты, которые нельзя легко перезарядить (пока). Но, конечно, как и все первичные батареи, даже те, что в медицинских имплантатах, рано или поздно разряжаются.
Вот как они обычно работают.
Большинство первичных батарей содержат электролиты, с которыми вы, возможно, знакомы по спортивным напиткам, таким как Gatorade, в отличие от батарей. Но это одно и то же. Электролиты — это просто вещества, которые распадаются на ионы при растворении в растворе, которые в случае с нашими телами проводят электрические заряды, заставляющие, среди прочего, двигаться наши мышцы.
В батареях электролиты используются для проведения движения заряженных ионов (таких как ионы лития в литий-ионной батарее или гидроксид калия в неперезаряжаемой батарее) между положительным и отрицательным концами, называемыми катодом и анодом, соответственно. Электроны собираются на аноде, где они отталкиваются друг от друга и хотят переместиться в область с меньшим количеством электронов, заставляя их двигаться по цепи к положительному катоду. Когда объект, например лампочку, помещают в эту цепь, электроны вынуждены проходить через нее, прежде чем перейти к аноду. Но ничего из этого не может работать без среды электролита. И первичные батареи не работают вечно.
По оценкам исследователей, эта католитная батарея может иметь на 50 процентов большую плотность энергии, чем обычные первичные батареи. Исследователи Массачусетского технологического института
По словам Гао, батареи кардиостимуляторов служат всего от пяти до десяти лет. Но чтобы попытаться расширить это, Гао и ее команда выбрали другой жидкий материал для электролита; на самом деле это комбинация электролита и катода, которую они называют католитом. «В большинстве традиционных батарей используется твердый катодный материал, — говорит Гао. Но в этом случае этот материал и электролит, большая часть которых является мертвым грузом, говорит Гао, были заменены комбинированным раствором катода и электролита для повышения эффективности батареи.
«Теперь большая часть массы батареи фактически используется для преобразования энергии», — говорит Бетар Галлант, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.
Первоначальный анализ исследователей показал, что плотность энергии батареи может увеличиться на 50 процентов, но пока их исследование привело только к увеличению на 20 процентов. Тем не менее, Гао говорит, что это в основном связано с ограничениями их лабораторной установки, и 50 процентов по-прежнему являются целью. «Мы думаем, что это все еще достижимо», — говорит Гао.
Продление срока службы высокоэнергетических первичных батарей может быть полезным во многих случаях, когда перезаряжаемые батареи не подходят, и не только в кардиостимуляторах. «Мы также рассматриваем возможность применения этого к беспилотным транспортным средствам, оборонным приложениям, отслеживанию грузов и исследованию космоса», — говорит Гао.
Хотя перезаряжаемые батареи на данный момент предпочтительнее из-за их устойчивости, Гао говорит, что увеличение срока службы первичных батарей также может сделать их устойчивыми соперниками. Другими словами, в кардиостимуляторах придется использовать меньше батарей по мере увеличения срока их службы, что сократит общий расход батарей, а также уменьшит количество необходимых операций по замене батарей.
Исследователи надеются получить более продвинутый прототип в течение одного-двух лет, и они не ожидают, что стоимость этих батарей будет намного выше их текущих цен. Но в то же время они надеются, что их работа подчеркнет необходимость возобновления интереса к относительно застойному миру исследований первичных аккумуляторов.
