Studie objevila způsob, jak vyrobit baterie, které používáme každý den, aby byly odolnější, výkonnější a bezpečnější.
Píše se rok 2018 a naše každodenní životy jsou nyní poháněny různými vychytávkami, které buď běží elektřina nebo na baterie. Naše závislost na gadgetech a zařízeních napájených bateriemi fenomenálně roste. A baterie je zařízení, které uchovává chemickou energii, která se přeměňuje na elektřinu. Baterie jsou jako mini chemické reaktory s reakcí produkující elektrony plné energie, které protékají externím zařízením. Ať už jde o mobilní telefony, notebooky nebo jiná dokonce elektrická vozidla, baterie – obecně lithium-iontové – jsou hlavním zdrojem energie pro tyto technologie. Vzhledem k tomu, že technologie neustále postupuje, existuje neustálá poptávka po kompaktnějších, vysokokapacitních a bezpečnějších dobíjecích bateriích.
Baterie mají dlouhou a slavnou historii. Americký vědec Benjamin Franklin poprvé použil termín „baterie“ v roce 1749 při provádění experimentů s elektřinou pomocí sady propojených kondenzátorů. Italský fyzik Alessandro Volta vynalezl první baterii v roce 1800, když na sebe naskládal disky mědi (Cu) a zinku (Zn) oddělené látkou namočenou ve slané vodě. Olověná baterie, jedna z nejtrvanlivějších a nejstarších dobíjecích baterií, byla vynalezena v roce 1859 a dodnes se používá v mnoha zařízeních, včetně spalovacích motorů ve vozidlech.
Baterie ušly dlouhou cestu a dnes se dodávají v řadě velikostí od velkých megawattových velikostí, takže teoreticky jsou schopny ukládat energii ze solárních farem a osvětlovat mini města nebo mohou být tak malé jako ty, které se používají v elektronických hodinkách. , úžasné, že. V takzvané primární baterii je reakce, která vytváří tok elektronů, nevratná a nakonec, když je jeden z jejích reaktantů spotřebován, baterie se vybije nebo zemře. Nejběžnější primární baterií je zinko-uhlíková baterie. Tyto primární baterie představovaly velký problém a jediný způsob, jak se vypořádat s likvidací takových baterií, bylo najít způsob, jak je znovu použít – tedy udělat je dobíjecími. Výměna baterií za nové byla zjevně nepraktická, a tak s přibývajícími bateriemi silný a to se stalo téměř nemožné, nemluvě o tom, že jejich výměna a likvidace jsou poměrně drahé.
Nikl-kadmiová baterie (NiCd) byla první populární dobíjecí baterie, která používala alkálii jako elektrolyt. V roce 1989 byly vyvinuty nikl-metal vodíkové baterie (NiMH), které mají delší životnost než NiCd baterie. Měly však určité nevýhody, zejména to, že byly velmi citlivé na přebíjení a přehřátí, zvláště když byly nabíjeny řekněme maximální sazbou. Musely se proto nabíjet pomalu a opatrně, aby nedošlo k jejich poškození, a nabíjení jednoduššími nabíječkami vyžadovalo delší dobu.
Lithium-iontové baterie (LIB), vynalezené v roce 1980, jsou nejčastěji používanými bateriemi u spotřebitelů. elektronický zařízení dnes. Lithium je jedním z nejlehčích prvků a má jeden z největších elektrochemických potenciálů, proto je tato kombinace ideální pro výrobu baterií. V LIB se ionty lithia pohybují mezi různými elektrodami prostřednictvím elektrolytu, který je vyroben ze soli a organický rozpouštědla (ve většině tradičních LIB). Kovové lithium je teoreticky elektricky nejpozitivnější kov s velmi vysokou kapacitou a je nejlepší možnou volbou pro baterie. Když LIB nedobíjejí, kladně nabitý lithium ion se stává lithiovým kovem. LIB jsou tedy nejoblíbenější dobíjecí baterie pro použití ve všech druzích přenosných zařízení díky jejich dlouhé životnosti a vysoké kapacitě. Jedním z hlavních problémů je však to, že se elektrolyt může snadno odpařit, což způsobí zkrat v baterii, což může představovat nebezpečí požáru. V praxi jsou LIB opravdu nestabilní a neefektivní, protože postupem času se dispozice lithia stávají nestejnorodými. LIB mají také nízkou rychlost nabíjení a vybíjení a kvůli bezpečnostním problémům jsou neživotaschopné pro mnoho vysoce výkonných a vysokokapacitních strojů, například elektrických a hybridních elektrických vozidel. Bylo hlášeno, že LIB ve velmi vzácných případech vykazuje dobrou kapacitu a míru retence.
Ve světě baterií tedy není vše dokonalé, protože v posledních letech bylo mnoho baterií označeno za nebezpečné, protože se vznítí, jsou nespolehlivé a někdy neefektivní. Vědci po celém světě hledají baterie, které budou malé, bezpečně dobíjecí, lehčí, odolnější a zároveň výkonnější. Proto se pozornost přesunula na elektrolyty v pevné fázi jako potenciální alternativu. Udržet toto jako cíl vědci vyzkoušeli mnoho možností, ale stabilita a škálovatelnost byla překážkou většiny studií. Polymerní elektrolyty ukázaly velký potenciál, protože jsou nejen stabilní, ale také flexibilní a také levné. Bohužel hlavním problémem takových polymerních elektrolytů je jejich špatná vodivost a mechanické vlastnosti.
V nedávné studii publikované v ACS Nano Letters, Výzkumníci prokázali, že bezpečnost baterie a dokonce i mnoho dalších vlastností lze zlepšit přidáním nanodrátů k baterii, díky čemuž je baterie lepší. Tento tým výzkumníků z College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Čína, navázal na svůj předchozí výzkum, kdy vyrobil nanodrátky boritanu hořečnatého, které vykazovaly dobré mechanické vlastnosti a vodivost. V současné studii ověřili, zda by to platilo i pro baterie, pokud ano nanodrátky se přidávají do polymerního elektrolytu v pevném stavu. Elektrolyt v pevném stavu byl smíchán s 5, 10, 15 a 20 hmotnostními nanovlákny boritanu hořečnatého. Bylo vidět, že nanodrátky zvýšily vodivost polymerního elektrolytu v pevné fázi, díky čemuž byly baterie pevnější a odolnější ve srovnání s dřívějšími bateriemi bez nanodrátů. Toto zvýšení vodivosti bylo způsobeno zvýšením počtu iontů procházejících a pohybujících se elektrolytem a mnohem rychlejší rychlostí. Celá sestava byla jako baterie, ale s přidanými nanodrátky. To ukázalo vyšší rychlost výkonu a zvýšený počet cyklů ve srovnání s normálními bateriemi. Byla provedena také důležitá zkouška hořlavosti a bylo vidět, že baterie nehoří. Dnes široce používané přenosné aplikace, jako jsou mobilní telefony a notebooky, je třeba upgradovat s maximální a nejkompaktnější uloženou energií. To samozřejmě zvyšuje riziko násilného vybití a je to u takových zařízení zvládnutelné kvůli malému formátu potřebných baterií. Ale jak jsou navrhovány a zkoušeny větší aplikace baterií, bezpečnost, odolnost a výkon nabývají nejvyšší důležitosti.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Sheng O a kol. 2018. Multifunkční pevné elektrolyty s nanovodičem Mg2B2O5 s vysokou iontovou vodivostí, vynikajícími mechanickými vlastnostmi a nehořlavou výkonností. Nano dopisy. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
