Решение проблем с аккумулятором на наших телефонах, планшетах или ноутбуках может быть неприятным. Хотя аккумуляторы в повседневной жизни есть повсюду, многие до сих пор выходят из строя и выходят из строя. Незначительное неудобство, связанное с более частой зарядкой, может даже обернуться дорогостоящим ремонтом или покупкой нового устройства в целом. Батареи в более крупной электронике, такой как гироскутеры или автомобили, могут даже загореться.

Теперь, когда все больше внимания уделяется устойчивости авиации, интерес к использованию аккумуляторов для частичного или полного питания электрических силовых установок на самолетах всех размеров растет с каждым днем. Итак, вопрос в том, есть ли лучший способ создать батареи, которые были бы полностью безопасными и не выходили из строя и даже не загорались?

В рамках проекта НАСА под названием SABERS, или «Батареи с твердотельной архитектурой для улучшенной перезаряжаемости и безопасности», исследуется, как создать более безопасную батарею с использованием совершенно новых материалов и новых методов строительства.

Цель состоит в том, чтобы создать батарею, которая будет иметь значительно более высокую энергию, чем литий-ионные батареи, которые мы сейчас используем. Эта батарея также не потеряет емкость со временем, не загорится и не подвергнет опасности пассажиров, если что-то пойдет не так.

«Вместо того, чтобы снимать аккумулятор с полки, мы решили, что нам нужно разработать аккумулятор с нуля, который будет адаптирован к уникальным требованиям к характеристикам электрического самолета», — сказал Рокко Виджиано, ведущий исследователь SABERS в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде.

Оказывается, твердотельные батареи отвечают всем требованиям. В отличие от многих современных аккумуляторов, аккумуляторы, которые SABERS хочет создать, не содержат жидкости в своей конструкции. Полностью твердый аккумулятор имеет менее сложную упаковку, снижает риски безопасности и может выдержать большее повреждение, чем аккумулятор с жидкостью внутри.

В рамках проекта исследовалось использование уникального сочетания элементов серы и селена для удержания электрического заряда. «Твердотельный серно-селеновый аккумулятор прохладный на ощупь и не горит. Он имеет более тонкий профиль, чем литий-ионные батареи, и лучше сохраняет энергию. Он может выдержать избиение и по-прежнему работать, зачастую в менее чем идеальных условиях», — сказал Виджиано.

Дополнительным преимуществом является то, что сера является побочным продуктом переработки нефти. Во всем мире есть запасы этого элемента, которые доступны и только ждут, чтобы их использовали. Приложив немного воображения, эти отходы можно превратить во что-то, что используется в экологически чистых транспортных средствах.

Воображение — еще один аспект SABERS. Проект стремится использовать элементы, которые никогда ранее не объединялись, чтобы сформировать батарею. Например, разработанный НАСА компонент под названием «дырявый графен» (названный в честь отверстий на его поверхности, через которые проходит воздух) имеет очень высокий уровень электропроводности. Он сверхлегкий и экологически чистый. «Этот материал никогда не использовался в аккумуляторных системах, и мы комбинируем его с другими материалами, которые никогда не использовались», — сказал Виджиано.

SABERS делает большие успехи

Известно, что твердотельные батареи имеют низкую скорость разряда. Другими словами, мощность, которая сразу вытекает из батареи, слишком мала. Но исследователи SABERS почти вдвое увеличили эту скорость разряда, а это означает, что твердотельные батареи могут реально питать более крупную электронику.

«Мы превысили нашу цель. По мере дальнейшего развития мы можем улучшить этот показатель еще больше», — сказал Виджиано. Цели и успехи проекта привлекли внимание таких компаний, как Uber и несколько других компаний, заинтересованных в производстве транспортных средств для будущих сред Advanced Air Mobility.

Следующим шагом SABERS является разработка конструкции батареи. Это будет включать тестирование того, как он работает на практике, обеспечение безопасности и сбор данных о его производительности. В случае успеха дизайн можно было бы еще больше оптимизировать. Между тем безопасность остается вопросом номер один.

Текущие исследования аккумуляторов в основном ориентированы на автомобильную промышленность, стандарты безопасности которой, как правило, менее строгие, чем те, которые требуются для авиационных приложений, где аккумуляторы работают в более стрессовых условиях. SABERS хочет помочь установить этот новый, более высокий стандарт для использования в авиации, доказав, что создание более безопасных батарей технически осуществимо и экономически выгодно.

Каким требованиям должны соответствовать эти твердотельные батареи? Основываясь на анализе того, что может потребоваться для эксплуатации практического электрического самолета, SABERS сосредоточил внимание на пяти аспектах: безопасность, плотность энергии, скорость разряда, конструкция корпуса и масштабируемость.

По сути, эти батареи должны быть безопасными прежде всего. Им также необходимо удерживать огромное количество энергии и эффективно ее излучать. Они также должны иметь тонкую и компактную форму и разрабатываться с максимально детальным и тщательным подходом.

В конечном итоге SABERS определяет возможность создания безопасных аккумуляторных батарей для самолетов с электрическим двигателем. В случае успеха эти инновации могут помочь открыть новую эру накопителей энергии для будущих авиаперелетов.

SABERS является частью проекта Convergent Aeronautics Solutions, который призван дать исследователям НАСА ресурсы, необходимые им, чтобы определить, осуществимы ли их идеи по решению некоторых из крупнейших технических проблем авиации и, возможно, заслуживают ли они дополнительных усилий в НАСА или в промышленности. Выбранный в качестве двухлетнего мероприятия, который начался 1 октября 2019 года, перерывы в преследовании, вызванные пандемией COVID-19, могут привести к продлению, хотя еще ничего не решено.