Badanie odkryło sposób, aby baterie, których używamy na co dzień, były bardziej odporne, mocne i bezpieczne.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on elektryczność or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A bateria is a device that stores chemical energy that gets converted into electricity. Batteries are likemini chemical reactors having reaction producing electronsfull of energy which flow through the external device.Whether its cell phones or laptops or other even electric vehicles, batteries – generally lithium-ion – is the main power source for these technologies. As technology keeps advancing, there is continuous demand for more compact, high capacity, and safe rechargeable batteries.
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.
Nickel-cadmium battery (NiCd) was the first popular rechargeable batteries which used an alkali as an electrolyte. In 1989 nickel-metal hydrogen batteries (NiMH) were developed having longer life than NiCd batteries. However, they had some drawbacks, mainly that they were very sensitive to overcharging and overheating specially when they were charged say to their maximum rate. Therefore, they had to be charged slowly and carefully to avoid any damage and required longer times to get charged by simpler chargers.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer elektroniczny devices today. Lithium is one of the lightest elements and it has one of the largest electrochemical potentials, therefore this combination is ideally suited for making batteries. In LIBs, lithium ions move between different electrodes through an electrolyte which is made of salt and 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 have shown that a battery’s safety and even many other properties can be enhanced by adding nanowires to it, making the battery superior. This team of researchersfrom College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, China have built upon their previous research where they made magnesium borate nanowires which exhibited good mechanical properties and conductivity. In the current study they checked if this would also be true for batteries when such 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
