Дослідження знайшли спосіб зробити акумулятори, якими ми користуємося щодня, більш стійкими, потужними та безпечними.
Настав 2018 рік, і наше повсякденне життя живиться різними гаджетами, які або працюють електрика або на батарейках. Наша залежність від гаджетів і пристроїв, що працюють від акумуляторів, феноменально зростає. А акумулятор це пристрій, який накопичує хімічну енергію, яка перетворюється на електрику. Батареї — це схожі на міні-хімічні реактори, які реагують, утворюючи електрони, повні енергії, які протікають через зовнішній пристрій. Незалежно від того, чи йдеться про стільникові телефони, ноутбуки чи інші навіть електричні транспортні засоби, батареї — як правило, літій-іонні — є основним джерелом живлення для цих технологій. Оскільки технологія продовжує розвиватися, існує постійний попит на більш компактні, високоємні та безпечні акумуляторні батареї.
Акумулятори мають довгу і славну історію. Американський вчений Бенджамін Франклін вперше використав термін «акумулятор» у 1749 році, виконуючи експерименти з електрикою за допомогою набору пов’язаних конденсаторів. Італійський фізик Алессандро Вольта винайшов першу батарею в 1800 році, склавши диски з міді (Cu) і цинку (Zn), розділені тканиною, змоченою в солоній воді. Свинцево-кислотна батарея, одна з найдовговічніших і найстаріших акумуляторних батарей, була винайдена в 1859 році і все ще використовується в багатьох пристроях навіть сьогодні, включаючи двигуни внутрішнього згоряння в транспортних засобах.
Батареї пройшли довгий шлях, і сьогодні вони випускаються в діапазоні розмірів від великих мегаватних розмірів, тож теоретично вони здатні накопичувати енергію від сонячних електростанцій і освітлювати міні-міста, або вони можуть бути такими ж маленькими, як ті, що використовуються в електронних годинниках. , чудово, чи не так. У так званій первинній батареї реакція, яка викликає потік електронів, є незворотною, і врешті-решт, коли один із її реагентів витрачається, батарея розряджається або вмирає. Найпоширенішою первинною батареєю є вугільно-цинкова батарея. Ці первинні батареї були великою проблемою, і єдиний спосіб вирішити проблему утилізації таких батарей — знайти метод, у якому їх можна було б повторно використовувати, тобто зробити їх перезарядними. Заміна батарейок на нові була явно недоцільною, тому батарей стало більше потужний і стало майже неможливо, не кажучи вже про те, що заміна та утилізація досить дорога.
Нікель-кадмієва батарея (NiCd) була першою популярною акумуляторною батареєю, яка використовувала луг як електроліт. У 1989 році були розроблені нікель-метал-водневі батареї (NiMH), які мали довший термін служби, ніж нікель-кадмієві батареї. Однак у них були деякі недоліки, головним чином те, що вони були дуже чутливі до перезаряджання та перегріву, особливо коли їх заряджали, скажімо, до максимальної швидкості. Тому їх потрібно було заряджати повільно й обережно, щоб уникнути будь-яких пошкоджень, і вимагав довшого часу для заряджання за допомогою простіших зарядних пристроїв.
Винайдені в 1980 році літій-іонні батареї (LIB) є найпоширенішими батареями в споживачах електронний пристроїв сьогодні. Літій є одним із найлегших елементів і має один із найбільших електрохімічних потенціалів, тому ця комбінація ідеально підходить для виготовлення батарей. У LIBs іони літію рухаються між різними електродами через електроліт, який складається з солі та органічний розчинники (у більшості традиційних LIB). Теоретично металевий літій є найбільш електрично позитивним металом з дуже високою ємністю і є найкращим можливим вибором для акумуляторів. Коли акумулятори LIB недостатньо заряджаються, позитивно заряджений іон літію стає металевим літієм. Таким чином, акумулятори LIB є найпопулярнішими акумуляторними батареями для використання в усіх видах портативних пристроїв завдяки їх тривалому терміну служби та високій ємності. Однак одна основна проблема полягає в тому, що електроліт може легко випаровуватися, спричиняючи коротке замикання в акумуляторі, і це може бути небезпекою пожежі. На практиці LIB справді нестабільні та неефективні, оскільки з часом розподіл літію стає нерівномірним. LIB також мають низьку швидкість заряду та розряду, а проблеми з безпекою роблять їх непридатними для багатьох машин великої потужності та потужності, наприклад електричних та гібридних електромобілів. Повідомлялося, що LIB демонструє хорошу ємність і рівень утримання в дуже рідкісних випадках.
Таким чином, у світі акумуляторів не все ідеально, оскільки останніми роками багато акумуляторів було позначено як небезпечні, оскільки вони загоряються, є ненадійними та іноді неефективними. Вчені з усього світу прагнуть створювати батареї, які будуть невеликими, безпечно перезаряджаються, легшими, стійкішими та водночас потужнішими. Тому фокус змістився на твердотільні електроліти як потенційну альтернативу. Залишити це як мету вчені пробували багато варіантів, але стабільність і масштабованість були перешкодою більшості досліджень. Полімерні електроліти продемонстрували великий потенціал, оскільки вони не тільки стабільні, але й гнучкі, а також недорогі. На жаль, основною проблемою таких полімерних електролітів є їх погана провідність і механічні властивості.
У недавньому дослідженні, опублікованому в ACS Нано листи, Дослідники показали, що безпеку батареї та навіть багато інших властивостей можна підвищити, додавши до неї нанодроти, що зробить батарею кращою. Ця команда дослідників з Коледжу матеріалознавства та інженерії Чжецзянського технологічного університету, Китай, спиралася на свої попередні дослідження, де вони виготовляли нанодроти з борату магнію, які демонстрували хороші механічні властивості та провідність. У поточному дослідженні вони перевірили, чи буде це також вірно для акумуляторів, коли це так нанодроти додають до твердотільного полімерного електроліту. Твердий електроліт змішували з 5, 10, 15 і 20 вагами нанодротів борату магнію. Було видно, що нанодроти підвищили провідність твердотільного полімерного електроліту, що зробило батареї більш міцними та пружними порівняно з попередніми без нанодротів. Це збільшення провідності відбулося через збільшення кількості іонів, що проходять і рухаються через електроліт, і з набагато більшою швидкістю. Вся установка була схожа на батарею, але з додаванням нанодротів. Це продемонструвало вищу продуктивність і збільшення циклів порівняно зі звичайними батареями. Також було проведено важливий тест на займистість, і було видно, що батарея не горить. Широко використовувані сучасні портативні програми, такі як мобільні телефони та ноутбуки, потребують модернізації за допомогою максимальної та найкомпактнішої накопиченої енергії. Це, очевидно, збільшує ризик сильного розряду, і це можна контролювати для таких пристроїв через невеликий формат необхідних батарей. Але в міру того, як батареї розробляються та випробовуються у великих сферах застосування, безпека, довговічність і потужність набувають найвищого значення.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Sheng O та ін. 2018. Багатофункціональні твердотільні електроліти на основі нанодроту Mg2B2O5 з високою іонною провідністю, чудовими механічними властивостями та вогнестійкістю. Нано букви. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
