Pētījumā ir atklāts veids, kā padarīt akumulatorus, kurus mēs izmantojam katru dienu, padarīt izturīgākus, jaudīgākus un drošākus.
Ir 2018. gads, un mūsu ikdienas dzīvi tagad nodrošina dažādi sīkrīki, kas vai nu darbojas elektrība vai uz baterijām. Mūsu paļaušanās uz ar akumulatoru darbināmiem sīkrīkiem un ierīcēm fenomenāli pieaug. A akumulators ir ierīce, kas uzglabā ķīmisko enerģiju, kas tiek pārvērsta elektrībā. Baterijas ir līdzīgi mini ķīmiskiem reaktoriem, kuru reakcija rada elektronu pilnu enerģiju, kas plūst caur ārējo ierīci. Neatkarīgi no tā, vai tā ir mobilais tālrunis vai klēpjdators, vai citi pat elektriskie transportlīdzekļi, akumulatori – parasti litija jonu – ir šo tehnoloģiju galvenais enerģijas avots. Tehnoloģijai turpinot attīstīties, pastāv nepārtraukts pieprasījums pēc kompaktākām, lieljaudas un drošākām uzlādējamām baterijām.
Baterijām ir sena un krāšņa vēsture. Amerikāņu zinātnieks Bendžamins Franklins pirmo reizi lietoja terminu “akumulators” 1749. gadā, veicot eksperimentus ar elektrību, izmantojot savienotu kondensatoru komplektu. Itāļu fiziķis Alesandro Volta izgudroja pirmo akumulatoru 1800. gadā, kad vara (Cu) un cinka (Zn) diski tika atdalīti ar audumu, kas samērcēts sāļajā ūdenī. Svina-skābes akumulators, viens no izturīgākajiem un vecākajiem uzlādējamajiem akumulatoriem, tika izgudrots 1859. gadā un joprojām tiek izmantots daudzās ierīcēs, tostarp transportlīdzekļu iekšdedzes dzinējos.
Baterijas ir nogājušas garu ceļu, un mūsdienās tās ir pieejamas dažādos izmēros, sākot no lieliem megavatu izmēriem, tāpēc teorētiski tās spēj uzglabāt enerģiju no saules enerģijas fermām un izgaismot nelielas pilsētas vai arī tās var būt tikpat mazas kā elektroniskajos pulksteņos izmantotās. , brīnišķīgi, vai ne. Tā sauktajā primārajā akumulatorā reakcija, kas rada elektronu plūsmu, ir neatgriezeniska, un galu galā, kad tiek patērēts kāds no tā reaģentiem, akumulators izlādējas vai nomirst. Visizplatītākā primārā baterija ir cinka-oglekļa akumulators. Šīs primārās baterijas bija liela problēma, un vienīgais veids, kā novērst šādu bateriju iznīcināšanu, bija atrast metodi, kā tās varētu izmantot atkārtoti, proti, padarot tās atkārtoti uzlādējamas. Akumulatoru nomaiņa pret jaunām bija acīmredzami nepraktiska, un līdz ar to bateriju kļuva vairāk spēcīgu un liels kļuva gandrīz neiespējami, nemaz nerunājot par diezgan dārgu to nomaiņu un likvidēšanu.
Niķeļa-kadmija akumulators (NiCd) bija pirmās populārās uzlādējamās baterijas, kurās kā elektrolītu izmantoja sārmu. 1989. gadā tika izstrādātas niķeļa-metāla ūdeņraža baterijas (NiMH), kurām ir ilgāks kalpošanas laiks nekā NiCd akumulatoriem. Tomēr tiem bija daži trūkumi, galvenokārt tas, ka tie bija ļoti jutīgi pret pārlādēšanu un pārkaršanu, īpaši tad, kad tie tika uzlādēti, teiksim, līdz maksimālajai likmei. Tāpēc tie bija jāuzlādē lēni un uzmanīgi, lai izvairītos no bojājumiem, un bija nepieciešams ilgāks laiks, lai uzlādētu ar vienkāršākiem lādētājiem.
Litija jonu akumulatori (LIB), kas tika izgudroti 1980. gadā, ir patērētājiem visbiežāk lietotās baterijas. elektronisks ierīces šodien. Litijs ir viens no vieglākajiem elementiem un tam ir viens no lielākajiem elektroķīmiskajiem potenciāliem, tāpēc šī kombinācija ir ideāli piemērota bateriju izgatavošanai. LIBs litija joni pārvietojas starp dažādiem elektrodiem caur elektrolītu, kas ir izgatavots no sāls un bioloģisks šķīdinātāji (lielākajā daļā tradicionālo LIB). Teorētiski litija metāls ir elektriski pozitīvākais metāls ar ļoti lielu ietilpību un ir labākā iespējamā izvēle akumulatoriem. Kad LIB netiek uzlādēts, pozitīvi lādētais litija jons kļūst par litija metālu. Tādējādi LIB ir vispopulārākās uzlādējamās baterijas izmantošanai visu veidu pārnēsājamās ierīcēs to ilgā kalpošanas laika un lielās ietilpības dēļ. Tomēr viena no galvenajām problēmām ir tāda, ka elektrolīts var viegli iztvaikot, izraisot īssavienojumu akumulatorā, un tas var izraisīt ugunsgrēku. Praksē LIB ir patiešām nestabilas un neefektīvas, jo laika gaitā litija izvietojums kļūst nevienmērīgs. LIB ir arī zems uzlādes un izlādes ātrums, un drošības apsvērumi padara tos neizdevīgus daudzām lieljaudas un lieljaudas mašīnām, piemēram, elektriskajiem un hibrīdelektriskajiem transportlīdzekļiem. Ir ziņots, ka LIB ļoti retos gadījumos uzrāda labu ietilpību un saglabāšanas līmeni.
Tādējādi akumulatoru pasaulē ne viss ir ideāli, jo pēdējos gados daudzas baterijas ir atzīmētas kā nedrošas, jo tās aizdegas, ir neuzticamas un dažkārt neefektīvas. Zinātnieki visā pasaulē cenšas izveidot akumulatorus, kas būtu mazi, droši uzlādējami, vieglāki, elastīgāki un tajā pašā laikā jaudīgāki. Tāpēc galvenā uzmanība ir pievērsta cietvielu elektrolītiem kā potenciālajai alternatīvai. Zinātnieki ir mēģinājuši to paturēt kā galveno, taču stabilitāte un mērogojamība ir bijis šķērslis lielākajā daļā pētījumu. Polimēru elektrolīti ir parādījuši lielu potenciālu, jo tie ir ne tikai stabili, bet arī elastīgi un arī lēti. Diemžēl galvenā problēma ar šādiem polimēru elektrolītiem ir to sliktā vadītspēja un mehāniskās īpašības.
Nesenā pētījumā, kas publicēts ACS Nano burti, pētnieki ir parādījuši, ka akumulatora drošību un pat daudzas citas īpašības var uzlabot, pievienojot tam nanovadus, padarot akumulatoru labāku. Šī pētnieku komanda no Ķīnas Džedzjanas Tehnoloģiju universitātes Materiālzinātnes un inženierzinātņu koledžas ir balstījusies uz saviem iepriekšējiem pētījumiem, kuros viņi izgatavoja magnija borāta nanovadus, kuriem bija labas mehāniskās īpašības un vadītspēja. Pašreizējā pētījumā viņi pārbaudīja, vai tas attiecas arī uz baterijām, ja tādas ir nanovadi tiek pievienoti cietvielu polimēru elektrolītam. Cietvielu elektrolīts tika sajaukts ar 5, 10, 15 un 20 magnija borāta nanovadiem. Tika redzēts, ka nanovadi palielināja cietvielu polimēru elektrolīta vadītspēju, kas padarīja baterijas izturīgākas un elastīgākas, salīdzinot ar agrāk bez nanovadiem. Šis vadītspējas pieaugums bija saistīts ar to jonu skaita palielināšanos, kas šķērso un pārvietojas caur elektrolītu un daudz ātrāk. Visa iekārta bija kā akumulators, bet ar pievienotiem nanovadiem. Tas parādīja augstāku veiktspējas līmeni un palielinātu ciklu, salīdzinot ar parastajām baterijām. Tika veikta arī svarīga uzliesmojamības pārbaude un redzēts, ka akumulators nedeg. Mūsdienās plaši izmantotās pārnēsājamās lietojumprogrammas, piemēram, mobilie tālruņi un klēpjdatori, ir jāmodernizē ar maksimālu un kompaktu uzkrāto enerģiju. Tas acīmredzami palielina vardarbīgas izlādes risku, un tas ir pārvaldāms šādām ierīcēm, jo ir nepieciešams neliels bateriju formāts. Taču, tā kā tiek izstrādāti un izmēģināti plašāki akumulatoru pielietojumi, drošība, izturība un jauda ir ārkārtīgi svarīga.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Sheng O et al. 2018. gads. Mg2B2O5 nanovadu iespējoti daudzfunkcionāli cietvielu elektrolīti ar augstu jonu vadītspēju, lieliskām mehāniskajām īpašībām un liesmu slāpējošu veiktspēju. Nano burti. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
