Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в потребительской электронике, от смартфонов до электромобилей, благодаря высокой плотности энергии и долговечности. Однако такие батареи чувствительны к механическим повреждениям — даже небольшой прокол корпуса может привести к короткому замыканию и возгоранию. Это ограничивает их применение в гибких и деформируемых устройствах, таких как носимая электроника, мягкие роботы и медицинские имплантаты.
Для устранения этих недостатков группа исследователей из США и Гонконга разработала новый тип литиевой батареи, способной сохранять работоспособность даже после изгиба, разрезания или прокола. Данная технология открывает перспективы создания безопасных и гибких источников питания, адаптированных к требованиям устройств нового поколения.
Недостатки традиционных аккумуляторов
Конструктивные особенности стандартных литиевых батарей предполагают наличие жёсткой оболочки и жидкого электролита внутри. В случае нарушения герметичности корпус может деформироваться, а электролит — воспламениться при контакте с кислородом. Это представляет серьёзный риск и делает подобные аккумуляторы непригодными для применения в гибких и растягиваемых устройствах.Согласно заявлениям исследователей , для обеспечения безопасной эксплуатации литиевых аккумуляторов необходима жёсткая и герметичная оболочка. Это обусловлено высокой реакционной способностью жидких электролитов, которые могут выделять тепло и воспламеняться при контакте с воздухом или влагой. Ранее предпринимались попытки заменить такие оболочки на гибкие полимеры, однако изоляционные свойства этих решений оказывались недостаточными.
Исходя из этих ограничений, ещё в 2017 году команда исследователей начала работу над альтернативным типом электролита на основе квазитвёрдых гидрогелей. Эти материалы представляют собой водные растворы солей, удерживаемые в полимерной сетке. Благодаря такой структуре гидрогели обладают повышенной стабильностью и сниженными рисками утечки, сохраняя при этом ионную проводимость и эластичность.
Однако ранее подобные аккумуляторы демонстрировали низкие рабочие напряжения — порядка 1,2 В. При попытке увеличить напряжение происходил электролиз воды, сопровождающийся образованием водорода и кислорода, что нарушало работу батареи и разрушало её структуру.Новая технологическая основа
Команда под руководством Пейшена Хе из Центра сенсоров и актуаторов Университета Калифорнии в Беркли разработала электролит нового типа, подходящий для гибких литиевых батарей. Используемый ими гидрогель отличается пониженным содержанием воды — около 19%, по сравнению с традиционными показателями в 80%. Это решение позволило устранить проблему электролиза при напряжениях выше 1,2 В.Ключевую роль сыграло применение цвиттерионного полимера , обладающего способностью стабильно связывать молекулы воды. Это предотвращает разложение воды даже при напряжениях, превышающих 3 В, и обеспечивает расширенное окно электрохимической стабильности.
При создании гидрогеля исследователи использовали акриловую кислоту в качестве сшивающего агента и электролит на основе нефторированной литиевой соли. Эта соль не только способствует перемещению ионов лития, но и выполняет дополнительную функцию — абсорбирует влагу из окружающей среды. Вместо традиционного погружения полимера в водный раствор, команда позволила материалу впитать влагу из воздуха с относительной влажностью около 50%.И что в итоге?
Результаты экспериментов подтвердили высокую устойчивость разработанной батареи к различным механическим воздействиям. В ходе испытаний её неоднократно сгибали, растягивали, складывали, скручивали и даже прокалывали. Несмотря на это, аккумулятор продолжал функционировать без признаков утечки электролита и значимого снижения напряжения. Устойчивость обеспечивается конструктивными особенностями: гибкая полимерная оболочка и квазитвёрдый гидрогель внутри равномерно распределяют внешние нагрузки, снижая вероятность повреждения внутренних слоёв.
Дополнительно была проведена оценка способности гидрогеля абсорбировать влагу из окружающей среды. При относительной влажности воздуха на уровне 50% аккумуляторная оболочка впитывала не более 19% воды. Это значительно ниже по сравнению с классическими гидрогелями, которые могут накапливать более 80% влаги. Несмотря на пониженную гигроскопичность, полученного уровня увлажнённости оказалось достаточно для стабильной работы батареи при напряжении 3,1 В, что существенно превышает минимально допустимый порог в 1,2 В.
Однако в ходе длительного использования были выявлены и недостатки. После 500 циклов зарядки и разрядки ёмкость батареи снизилась до 60% от первоначального значения. Для сравнения, у стандартных литий-ионных элементов аналогичные потери, как правило, не превышают 20%. Также важно отметить, что энергетическая плотность новой батареи составляет около 10% от показателей современных литий-ионных аналогов.
Целью проекта, тем не менее, не являлось создание высокоемкого элемента питания, способного заменить существующие коммерческие аккумуляторы. Основное внимание было сосредоточено на разработке решения для применения в гибкой электронике, где приоритет отдается таким характеристикам, как малый вес, механическая устойчивость и безопасность эксплуатации.
Возможности и направления развития
Перспективные области применения включают устройства носимой электроники — например, интеграцию батарей в текстиль, медицинские сенсоры, мягкие робототехнические конструкции или биосовместимые имплантаты, работающие внутри организма продолжительное время без необходимости замены источника питания. Для подобных задач разработанная технология представляет значительный интерес.
При этом дальнейшая коммерциализация требует решения ряда инженерных задач. Прежде всего, необходимо увеличить удельную ёмкость, чтобы параметры устройства приблизились к существующим стандартам. Кроме того, как отметили авторы, практическая реализация возможна только при наличии жизнеспособной производственной модели, обеспечивающей масштабируемость и приемлемую себестоимость. Важным этапом станет также проверка технологии в условиях реального использования, особенно в контексте длительного воздействия механических деформаций, характерных для носимых и гибких устройств.
Следующим шагом станет трансфер разработок из лабораторной среды в промышленное производство. Насколько это окажется возможным — покажет время.