По высшему заряду: «вечная» батарейка продлит срок службы кардиостимуляторов
Российские ученые разработали технологию, которая позволит самым мощным в мире одноразовым литий-фторуглеродным батареям сохранять на четверть больше энергии. Такие батарейки могут генерировать электрический заряд десятки лет, поэтому применяются для питания кардиостимуляторов и космических аппаратов. Как отмечают эксперты, технология может заметно улучшить свойства современных аккумуляторов. Однако перспективы внедрения технологии будут зависеть от ее стоимости и других экономических характеристик.
Самая мощная батарейка
Разработка специалистов Московского физико-технического института (МФТИ) позволяет повысить энергоемкость самых мощных в мире литий-фторуглеродных батарей. Эти элементы питания способны сохранять заряд десятки лет, поэтому чаще всего применяются в различных автономных устройствах: кардио- и нейростимуляторах, космических аппаратах и спутниках, работающих в удаленных районах, датчиках и БПЛА. В перспективе предложенная методика даст возможность запасать в одном аккумуляторе на четверть больше энергии, чем сейчас.
Литий-фторуглеродные элементы по своим свойствам превосходят все другие типы одноразовых неперезаряжаемых химических источников тока, рассказали разработчики. Одна такая батарейка несет в себе в несколько раз больше энергии, чем лучшие одноразовые батареи других типов, например литий-тионилхлоридные, и превосходит по удельной энергоемкости даже многоразовые литий-ионные аккумуляторы. Из-за низкой деградации материалов они очень стабильны: если оставить нетронутой такую батарейку на 10 лет, она сохранит практически весь заряд. Кроме того, она гарантированно работает в жару, на холоде, в вакууме и не требует замены длительное время.
Однако и у таких батарей есть недостатки. Во время их работы на катоде образуется плотный слой побочных продуктов. Он мешает ионам лития свободно двигаться, и батарея разряжается быстрее. Чтобы нивелировать этот эффект, ученые придумали специальный состав электролита, содержащий сульфоксидную добавку. Ее молекулы вступают в реакцию на поверхности катода, в результате которой образуется тонкий слой вещества, защищающий материал от деградации, через который двигаются ионы лития.
— Представьте, что ионы лития — это машины, а поверхность катода — заправка. Со временем на подъезде к ней вырастает хаотичная пробка из мусора (побочных продуктов реакции), и машины тратят время и силы, чтобы проехать. Наша добавка действует как регулировщик, который организует эту зону. Она помогает сформировать ровную, проводящую дорогу прямо к заправке. В итоге КПД батареи повышается, — пояснила ведущий научный сотрудник — заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софья Морозова.
Первые эксперименты показали, что батарея с модифицированным электролитом имеет удельную емкость более чем на 3,4% выше стандартной. Ученые поставили себе цель увеличить ее на 25%.
— Эти дополнительные проценты энергии показывают, что мы научились тонко управлять процессом на границе раздела электрод — электролит и небольшими, но уверенными шагами приближаемся к теоретическому пределу батареи, — добавила Софья Морозова.
Как будут применять
В стенах лаборатории эффективность новой технологии уже доказана на опытных образцах. Следующий шаг — оптимизировать составы для разных температурных режимов работы (от –60 °C до +60 °C), увеличить КПД и внедрить технологию в реальные устройства на примере БПЛА.
— Фтор-углеродные источники тока, обладающие очень высокой теоретической удельной энергоемкостью, имеют важное значение для отраслей, где требования к автономности, надежности и работе в экстремальных условиях являются определяющими. Перспективно применение таких источников тока для различных медицинских имплантатов (например, кардиостимуляторов) с многолетним сроком службы, а также для военной техники и аварийных систем, где недопустимы саморазряд и зависимость от колебаний температур, — сказал руководитель Центра компетенции по технологиям новых и мобильных источников энергии Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (ФИЦ ПХФ и МХ РАН) Алексей Левченко.
Пока предложенная технология далека от практического применения и находится на лабораторной стадии, отметил руководитель направления разработки промышленных систем накопления энергии Сколтеха Михаил Пугач. Литий-фторуглеродные батареи действительно обладают большой емкостью. Однако даже на модифицированные по новой методике элементы питания будут распространяться все ограничения, характерные для литиевых источников. В первую очередь это низкая температурная стабильность, так как во время работы они могут сильно нагреваться.
По словам руководителя отдела продаж компании GetPwr, эксперта рынка «Аэронет» НТИ Меружана Петросяна, ключевой аспект технологии — реальное повышение КПД аккумуляторов. Если эффективность технологии будет подтверждена экспериментально и ее можно будет стабильно воспроизводить, это, безусловно, будет шагом вперед.
— Сейчас не хватает данных по результатам испытаний на реальных устройствах. Хотелось бы понять, как технология влияет на цикличность, деградацию со временем и поведение аккумулятора при длительной эксплуатации, а не только на отдельных лабораторных замерах. Окончательные выводы возможны только после практических испытаний, а не на уровне заявлений, — сказал эксперт.
На перспективу внедрения технологии напрямую будут влиять ее экономические характеристики. Если ее удастся масштабировать без резкого роста цены, она действительно может занять свою нишу — за счет надежности и долговечности, добавил специалист.
Разработка была создана в рамках федерального проекта «Перспективные технологии для беспилотных авиационных систем».
