Badanie odkryło sposób, aby baterie, których używamy na co dzień, były bardziej odporne, mocne i bezpieczne.
Jest rok 2018 i nasze codzienne życie napędzają teraz różne gadżety, które albo działają elektryczność lub na bateriach. Nasza zależność od gadżetów i urządzeń zasilanych bateryjnie rośnie fenomenalnie. A bateria to urządzenie przechowujące energię chemiczną, która zostaje zamieniona na energię elektryczną. Baterie przypominają minireaktory chemiczne, w których zachodzi reakcja wytwarzająca elektrony pełne energii, które przepływają przez urządzenie zewnętrzne. Niezależnie od tego, czy chodzi o telefony komórkowe, laptopy, czy nawet inne pojazdy elektryczne, baterie – zazwyczaj litowo-jonowe – są głównym źródłem zasilania tych technologii. Wraz z postępem technologii istnieje ciągłe zapotrzebowanie na bardziej kompaktowe, bezpieczne akumulatory o dużej pojemności.
Baterie mają długą i chwalebną historię. Amerykański naukowiec Benjamin Franklin po raz pierwszy użył terminu „bateria” w 1749 roku, przeprowadzając eksperymenty z elektrycznością przy użyciu zestawu połączonych kondensatorów. Włoski fizyk Alessandro Volta wynalazł pierwszą baterię w 1800 roku, kiedy ułożył w stos krążki miedzi (Cu) i cynku (Zn) oddzielone tkaniną nasączoną słoną wodą. Akumulator kwasowo-ołowiowy, jeden z najtrwalszych i najstarszych akumulatorów, został wynaleziony w 1859 roku i do dziś jest używany w wielu urządzeniach, w tym w silnikach spalinowych w pojazdach.
Baterie przeszły długą drogę i dziś występują w wielu rozmiarach, od dużych megawatów, więc teoretycznie są w stanie magazynować energię z farm słonecznych i oświetlać mini-miasta lub mogą być tak małe, jak te używane w zegarkach elektronicznych , cudowne, czyż nie. W tak zwanej baterii pierwotnej reakcja, która powoduje przepływ elektronów, jest nieodwracalna i ostatecznie, gdy jeden z jej reagentów zostanie zużyty, bateria rozładowuje się lub umiera. Najpopularniejszą baterią podstawową jest bateria cynkowo-węglowa. Te baterie galwaniczne stanowiły duży problem i jedynym sposobem poradzenia sobie z utylizacją takich baterii było znalezienie sposobu, w jaki można by je ponownie wykorzystać – czyli poprzez umożliwienie ich ponownego naładowania. Wymiana baterii na nowe była oczywiście niepraktyczna, a tym samym w miarę jak baterie stawały się coraz większe mocny i duże stało się prawie niemożliwe, nie wspominając o dość drogim ich wymianie i utylizacji.
Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd) były pierwszymi popularnymi akumulatorami, w których jako elektrolit zastosowano zasadę. W 1989 roku opracowano akumulatory niklowo-metalowo-wodorowe (NiMH) charakteryzujące się dłuższą żywotnością niż akumulatory NiCd. Miały jednak pewne wady, głównie to, że były bardzo wrażliwe na przeładowanie i przegrzanie, zwłaszcza gdy były ładowane, powiedzmy, maksymalnie. Dlatego należało je ładować powoli i ostrożnie, aby uniknąć uszkodzeń, a ładowanie za pomocą prostszych ładowarek wymagało dłuższego czasu.
Wynalezione w 1980 roku akumulatory litowo-jonowe (LIB) są najczęściej używanymi akumulatorami w urządzeniach konsumenckich. elektroniczny urządzenia dzisiaj. Lit jest jednym z najlżejszych pierwiastków i ma jeden z największych potencjałów elektrochemicznych, dlatego to połączenie idealnie nadaje się do produkcji akumulatorów. W LIB jony litu przemieszczają się pomiędzy różnymi elektrodami poprzez elektrolit składający się z soli i organiczny rozpuszczalniki (w większości tradycyjnych LIB). Teoretycznie lit metaliczny jest metalem najbardziej elektrycznie dodatnim i ma bardzo dużą pojemność i jest najlepszym możliwym wyborem dla akumulatorów. Kiedy akumulatory LIB nie są ładowane, dodatnio naładowany litowo-jonowy zamienia się w litowo-metaliczny. Dlatego też LIB są najpopularniejszymi akumulatorami do stosowania we wszelkiego rodzaju urządzeniach przenośnych ze względu na ich długą żywotność i dużą pojemność. Jednakże głównym problemem jest to, że elektrolit może łatwo odparować, powodując zwarcie w akumulatorze, co może stanowić zagrożenie pożarowe. W praktyce LIB są naprawdę niestabilne i nieefektywne, ponieważ z biegiem czasu rozmieszczenie litu staje się nierównomierne. LIB mają również niski współczynnik ładowania i rozładowania, a względy bezpieczeństwa sprawiają, że są nieopłacalne w przypadku wielu maszyn o dużej mocy i dużej wydajności, na przykład pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Donoszono, że LIB w bardzo rzadkich przypadkach wykazuje dobrą pojemność i wskaźniki retencji.
Tak więc w świecie baterii nie wszystko jest idealne, ponieważ w ostatnich latach wiele baterii zostało oznaczonych jako niebezpieczne, ponieważ zapalają się, są zawodne, a czasem nieefektywne. Naukowcy na całym świecie dążą do zbudowania baterii, które będą małe, bezpiecznie ładowalne, lżejsze, bardziej odporne, a jednocześnie mocniejsze. Dlatego też, jako potencjalną alternatywę, skupiono się na elektrolitach w stanie stałym. Utrzymanie tego jako celu wielu opcji zostało wypróbowanych przez naukowców, ale stabilność i skalowalność były przeszkodą w większości badań. Elektrolity polimerowe wykazują duży potencjał, ponieważ są nie tylko stabilne, ale także elastyczne i niedrogie. Niestety głównym problemem w przypadku takich elektrolitów polimerowych jest ich słaba przewodność i właściwości mechaniczne.
W niedawnym badaniu opublikowanym w ACS nano Letters, Badacze wykazały, że bezpieczeństwo baterii, a nawet wiele innych właściwości można zwiększyć, dodając do niej nanodruty, dzięki czemu bateria będzie lepsza. Zespół naukowców z College of Materials Science and Engineering na Uniwersytecie Technologicznym w Zhejiang w Chinach oparł się na swoich wcześniejszych badaniach, podczas których wytworzył nanodruty z boranu magnezu, które wykazywały dobre właściwości mechaniczne i przewodność. W bieżącym badaniu sprawdzili, czy dotyczy to również akumulatorów, jeśli takie są nanodruty dodaje się do stałego elektrolitu polimerowego. Elektrolit w stanie stałym zmieszano z nanodrutami boranu magnezu o masie 5, 10, 15 i 20 wag. Zaobserwowano, że nanodruty zwiększyły przewodność stałego elektrolitu polimerowego, dzięki czemu akumulatory były bardziej wytrzymałe i sprężyste w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami bez nanodrutów. Ten wzrost przewodnictwa wynikał ze wzrostu liczby jonów przechodzących i poruszających się przez elektrolit w znacznie szybszym tempie. Cała konfiguracja była jak bateria, ale z dodanymi nanoprzewodami. Wykazało to wyższą wydajność i zwiększoną liczbę cykli w porównaniu z normalnymi akumulatorami. Przeprowadzono również ważny test łatwopalności i stwierdzono, że bateria się nie paliła. Powszechnie używane obecnie aplikacje przenośne, takie jak telefony komórkowe i laptopy, muszą zostać zmodernizowane przy użyciu maksymalnej i najbardziej kompaktowej energii zmagazynowanej. To oczywiście zwiększa ryzyko gwałtownego rozładowania i jest możliwe do opanowania w przypadku takich urządzeń ze względu na mały rozmiar potrzebnych baterii. Ponieważ jednak projektuje się i wypróbowuje większe zastosowania akumulatorów, bezpieczeństwo, trwałość i moc nabierają najwyższej wagi.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Sheng O i in. 2018. Mg2B2O5 Nanowire Wielofunkcyjne elektrolity półprzewodnikowe o wysokiej przewodności jonowej, doskonałych właściwościach mechanicznych i właściwościach ognioodpornych. Litery nano. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
