Исследование открыло способ сделать батареи, которые мы используем каждый день, более устойчивыми, мощными и безопасными.
На дворе 2018 год, и наша повседневная жизнь теперь обеспечивается различными гаджетами, работающими либо от электричества , либо от батарей. Наша зависимость от устройств и гаджетов, работающих от батарей, растет феноменально. Батарея — это устройство, которое хранит химическую энергию, преобразуемую в электричество. Батареи похожи на миниатюрные химические реакторы, в которых происходит реакция, производящая электроны, полные энергии, которые протекают через внешнее устройство. Будь то мобильные телефоны, ноутбуки или даже электромобили, батареи — как правило, литий-ионные — являются основным источником питания для этих технологий. По мере развития технологий постоянно растет спрос на более компактные, высокоемкие и безопасные перезаряжаемые батареи.
Аккумуляторы имеют долгую и славную историю. Американский ученый Бенджамин Франклин впервые использовал термин «батарея» в 1749 году, проводя эксперименты с электричеством с использованием набора связанных конденсаторов. Итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую батарею в 1800 году, сложив диски из меди (Cu) и цинка (Zn), разделенных тканью, смоченной в соленой воде. Свинцово-кислотная батарея, одна из самых долговечных и старейших аккумуляторных батарей, была изобретена в 1859 году и до сих пор используется во многих устройствах, включая двигатели внутреннего сгорания в транспортных средствах.
Батареи прошли долгий путь развития, и сегодня они выпускаются в широком диапазоне размеров: от огромных мегаваттных, что теоретически позволяет им накапливать энергию солнечных электростанций и освещать мини-города, до миниатюрных батарей, используемых в электронных часах – удивительно, не правда ли? В так называемой первичной батарее реакция, вызывающая поток электронов, необратима, и в конечном итоге, когда один из реагентов израсходован, батарея разряжается или выходит из строя. Наиболее распространенной первичной батареей является цинково-углеродная батарея. Эти первичные батареи представляли собой большую проблему, и единственным способом решения проблемы их утилизации было найти способ их повторного использования – то есть сделать их перезаряжаемыми. Замена батарей на новые была, очевидно, непрактичной, и поэтому по мере того, как батареи становились все более мощными и большими, их замена и утилизация становились практически невозможными, не говоря уже о высокой стоимости.
Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) был первым популярным аккумулятором, в котором в качестве электролита использовалась щелочь. В 1989 году были разработаны никель-металл-водородные батареи (NiMH), срок службы которых был больше, чем у NiCd. Однако у них были некоторые недостатки, в основном то, что они были очень чувствительны к перезарядке и перегреву, особенно когда они заряжались, скажем, до максимальной скорости. Поэтому их приходилось заряжать медленно и осторожно, чтобы избежать повреждений, а для зарядки с помощью более простых зарядных устройств требовалось больше времени.
Литий-ионные батареи (ЛИБ), изобретенные в 1980 году, являются наиболее распространенными батареями в современных бытовых электронных устройствах. Литий — один из самых легких элементов и обладает одним из самых высоких электрохимических потенциалов, поэтому это сочетание идеально подходит для производства батарей. В ЛИБ ионы лития перемещаются между различными электродами через электролит, который состоит из соли и органических растворителей (в большинстве традиционных ЛИБ). Теоретически, металлический литий является наиболее электрически положительным металлом, обладающим очень высокой емкостью, и является наилучшим выбором для батарей. При перезарядке ЛИБ положительно заряженный ион лития превращается в металлический литий. Таким образом, ЛИБ являются наиболее популярными перезаряжаемыми батареями для использования во всех видах портативных устройств благодаря их длительному сроку службы и высокой емкости. Однако одной из основных проблем является то, что электролит может легко испаряться, вызывая короткое замыкание в батарее, что может представлять опасность возгорания. На практике литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) очень нестабильны и неэффективны, поскольку со временем распределение лития становится неравномерным. Кроме того, ЛИА имеют низкие скорости заряда и разряда, а проблемы безопасности делают их непригодными для многих мощных и емких устройств, например, электромобилей и гибридных электромобилей. Сообщается, что ЛИА демонстрируют хорошую емкость и сохранение заряда лишь в очень редких случаях.
Таким образом, не все идеально в мире аккумуляторов, поскольку в последние годы многие аккумуляторы были отмечены как небезопасные, поскольку они воспламеняются, ненадежны и иногда неэффективны. Ученые всего мира стремятся создать батареи, которые будут небольшими, надежно перезаряжаемыми, более легкими, эластичными и в то же время более мощными. Поэтому в качестве потенциальной альтернативы акцент сместился на твердотельные электролиты. Ученые опробовали множество вариантов, но стабильность и масштабируемость были препятствием для большинства исследований. Полимерные электролиты продемонстрировали большой потенциал, потому что они не только стабильны, но также гибки и недороги. К сожалению, основной проблемой таких полимерных электролитов является их плохая проводимость и механические свойства.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano Letters , исследователи показали, что безопасность батареи и даже многие другие ее свойства могут быть улучшены за счет добавления в нее нанопроводов, что делает батарею более совершенной. Группа исследователей из Колледжа материаловедения и инженерии Чжэцзянского технологического университета (Китай) развила свои предыдущие исследования, в которых они получили нанопровода из бората магния, демонстрирующие хорошие механические свойства и проводимость. В текущем исследовании они проверили, будет ли это справедливо и для батарей, если такие нанопровода добавить в твердотельный полимерный электролит. Твердотельный электролит смешивали с 5, 10, 15 и 20 весовыми долями нанопроводов из бората магния. Было обнаружено, что нанопровода увеличивают проводимость твердотельного полимерного электролита, что делает батареи более прочными и долговечными по сравнению с батареями, ранее созданными без нанопроводов. Это увеличение проводимости было обусловлено увеличением количества ионов, проходящих и перемещающихся через электролит, причем с гораздо большей скоростью. Вся установка была похожа на батарею, но с добавлением нанопроводов. Это показало более высокую производительность и большее количество циклов по сравнению с обычными батареями. Также был проведен важный тест на воспламеняемость, и было установлено, что батарея не загорелась. Широко используемые сегодня портативные устройства, такие как мобильные телефоны и ноутбуки, нуждаются в модернизации с целью обеспечения максимальной и наиболее компактной емкости аккумуляторов. Это, очевидно, увеличивает риск сильного разряда, и для таких устройств это вполне управляемо благодаря небольшому размеру необходимых батарей. Но по мере разработки и испытаний более крупных батарей, безопасность, долговечность и мощность приобретают первостепенное значение.
Источник (ы)
Шенг О и др. 2018. Многофункциональные твердотельные электролиты на основе нанопроволок Mg2B2O5 с высокой ионной проводимостью, превосходными механическими свойствами и огнестойкостью. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
