Tyrimas atrado būdą, kaip kasdien naudojamas baterijas padaryti atsparesnes, galingesnes ir saugesnes.
2018-ieji metai, o mūsų kasdienį gyvenimą dabar skatina įvairūs įtaisai, kurie arba veikia elektra arba ant baterijų. Mūsų pasitikėjimas baterijomis valdomomis programėlėmis ir įrenginiais nepaprastai auga. A baterija yra prietaisas, kaupiantis cheminę energiją, kuri paverčiama elektra. Baterijos yra panašūs į mini cheminius reaktorius, kurių reakcija gamina elektronų pilną energijos, kuri teka per išorinį įrenginį. Nesvarbu, ar tai mobilieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai ar kitos net elektrinės transporto priemonės, akumuliatoriai – dažniausiai ličio jonų – yra pagrindinis šių technologijų energijos šaltinis. Technologijoms nuolat tobulėjant, nuolat reikia kompaktiškesnių, didesnės talpos ir saugesnių įkraunamų baterijų.
Baterijos turi ilgą ir šlovingą istoriją. Amerikiečių mokslininkas Benjaminas Franklinas pirmą kartą pavartojo terminą „baterija“ 1749 m., atlikdamas eksperimentus su elektra, naudodamas sujungtų kondensatorių rinkinį. Italų fizikas Alessandro Volta išrado pirmąją bateriją 1800 m., Kai vario (Cu) ir cinko (Zn) diskai buvo atskirti sūriame vandenyje suvilgytu audiniu. Švino rūgšties akumuliatorius, vienas iš patvariausių ir seniausių įkraunamų baterijų, buvo išrastas 1859 m. ir vis dar naudojamas daugelyje prietaisų, įskaitant transporto priemonių vidaus degimo variklius.
Baterijos nuėjo ilgą kelią ir šiandien yra įvairių dydžių, pradedant dideliais megavatais, todėl teoriškai jie gali kaupti energiją iš saulės energijos ūkių ir apšviesti mažus miestus arba gali būti tokie pat maži, kaip naudojami elektroniniuose laikrodžiuose. , nuostabu, ar ne. Tai, kas vadinama pirmine baterija, reakcija, kuri sukuria elektronų srautą, yra negrįžtama ir galiausiai, kai sunaudojama viena iš jo reagentų, baterija išsikrauna arba miršta. Labiausiai paplitusi pagrindinė baterija yra cinko-anglies baterija. Šios pirminės baterijos buvo didelė problema ir vienintelis būdas išspręsti tokių baterijų išmetimą buvo rasti būdą, kuriuo jas būtų galima panaudoti pakartotinai, ty padaryti jas pakartotinai įkraunamas. Akivaizdu, kad pakeisti baterijas naujomis buvo nepraktiška, todėl baterijų daugėjo galingas ir didelių tapo beveik neįmanoma, nekalbant apie gana brangų juos pakeisti ir išmesti.
Nikelio-kadmio akumuliatorius (NiCd) buvo pirmosios populiarios įkraunamos baterijos, kuriose kaip elektrolitas buvo naudojamas šarmas. 1989 m. buvo sukurtos nikelio-metalo vandenilio baterijos (NiMH), kurių tarnavimo laikas ilgesnis nei NiCd baterijos. Tačiau jie turėjo tam tikrų trūkumų, daugiausia tai, kad jie buvo labai jautrūs perkrovimui ir perkaitimui, ypač kai buvo įkraunami, tarkime, maksimaliai. Todėl juos reikėjo įkrauti lėtai ir atsargiai, kad būtų išvengta žalos, o paprastesniais įkrovikliais įkrauti reikėjo ilgesnio laiko.
Ličio jonų baterijos (LIB), išrastos 1980 m., yra dažniausiai vartotojų naudojamos baterijos. elektroninis įrenginiai šiandien. Litis yra vienas lengviausių elementų ir turi vieną didžiausių elektrocheminių potencialų, todėl šis derinys idealiai tinka baterijų gamybai. LIB ličio jonai juda tarp skirtingų elektrodų per elektrolitą, kuris yra pagamintas iš druskos ir organinis tirpikliai (daugumoje tradicinių LIB). Teoriškai ličio metalas yra labiausiai elektriškai teigiamas metalas, turintis labai didelę talpą ir yra geriausias galimas pasirinkimas akumuliatoriams. Kai LIB nepakankamai įkraunamas, teigiamai įkrautas ličio jonas tampa ličio metalu. Taigi LIB yra populiariausios įkraunamos baterijos, skirtos naudoti visų tipų nešiojamuose įrenginiuose dėl savo ilgo tarnavimo laiko ir didelės talpos. Tačiau viena iš pagrindinių problemų yra ta, kad elektrolitas gali lengvai išgaruoti, sukeldamas baterijos trumpąjį jungimą, o tai gali sukelti gaisro pavojų. Praktiškai LIB yra tikrai nestabilus ir neefektyvus, nes laikui bėgant ličio padėtis tampa nevienoda. LIB taip pat turi mažą įkrovimo ir iškrovimo greitį, o dėl saugos problemų jie tampa neperspektyvūs daugeliui didelės galios ir didelės galios mašinų, pavyzdžiui, elektrinėse ir hibridinėse elektrinėse transporto priemonėse. Pranešama, kad LIB labai retais atvejais pasižymi geru pajėgumu ir sulaikymo rodikliais.
Taigi baterijų pasaulyje ne viskas tobula, nes pastaraisiais metais daugelis baterijų buvo pažymėtos kaip nesaugios, nes užsidega, yra nepatikimos ir kartais neefektyvios. Mokslininkai visame pasaulyje siekia sukurti baterijas, kurios būtų mažos, saugiai įkraunamos, lengvesnės, atsparesnės ir tuo pat metu galingesnės. Todėl dėmesys sutelktas į kietojo kūno elektrolitus kaip galimą alternatyvą. Mokslininkai bandė išlaikyti tai kaip pagrindines galimybes, tačiau stabilumas ir mastelio keitimas buvo daugumos tyrimų kliūtis. Polimeriniai elektrolitai parodė didelį potencialą, nes yra ne tik stabilūs, bet ir lankstūs bei nebrangūs. Deja, pagrindinė tokių polimerinių elektrolitų problema yra prastas laidumas ir mechaninės savybės.
Neseniai atliktame tyrime, paskelbtame ACS „Nano raidės“, Mokslininkai parodė, kad akumuliatoriaus saugumas ir net daugelis kitų savybių gali būti padidintos pridedant prie jo nanolaidelius, todėl baterija yra pranašesnė. Ši mokslininkų komanda iš Medžiagų mokslo ir inžinerijos koledžo, Zhejiang Technology universiteto, Kinija, rėmėsi savo ankstesniais tyrimais, kai jie pagamino magnio borato nanolaidelius, pasižyminčius geromis mechaninėmis savybėmis ir laidumu. Dabartiniame tyrime jie patikrino, ar tai taip pat galioja baterijoms nanolaidai dedami į kietojo polimero elektrolitą. Kietojo kūno elektrolitas buvo sumaišytas su 5, 10, 15 ir 20 svorio magnio borato nanolaidais. Buvo pastebėta, kad nanolaideliai padidino kietojo kūno polimero elektrolito laidumą, todėl baterijos tapo tvirtesnės ir atsparesnės, palyginti su anksčiau be nanolaidelių. Tokį laidumo padidėjimą lėmė jonų, praeinančių ir judančių per elektrolitą, skaičiaus padidėjimas ir daug greičiau. Visa sąranka buvo kaip baterija, bet su papildomais nanolaidais. Tai parodė didesnį našumą ir didesnį ciklą, palyginti su įprastomis baterijomis. Taip pat buvo atliktas svarbus degumo testas ir matėsi, kad baterija nedega. Šiandien plačiai naudojamos nešiojamos programos, tokios kaip mobilieji telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai, turi būti atnaujintos naudojant maksimalią ir kompaktiškiausią sukauptą energiją. Tai akivaizdžiai padidina staigios iškrovos riziką ir yra valdoma tokiems įrenginiams, nes reikia mažo formato baterijų. Tačiau kadangi kuriamos ir išbandomos didesnės baterijų naudojimo galimybės, saugumas, ilgaamžiškumas ir galia tampa itin svarbūs.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
Sheng O ir kt. 2018 m. Daugiafunkciniai kietojo kūno elektrolitai su Mg2B2O5 nanolaidais, pasižymintys dideliu jonų laidumu, puikiomis mechaninėmis savybėmis ir antipirenu. Nano raidės. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
