Исследование открыло способ сделать батареи, которые мы используем каждый день, более устойчивыми, мощными и безопасными.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on электричество or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A аккумулятор 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.
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, и сегодня они бывают разных размеров от больших мегаваттных размеров, поэтому теоретически они могут накапливать энергию от солнечных ферм и освещать мини-города, или они могут быть такими же маленькими, как те, что используются в электронных часах. дивно, не правда ли. В так называемой первичной батарее реакция, которая вызывает поток электронов, необратима, и в конечном итоге, когда один из ее реагентов израсходован, батарея разряжается или умирает. Самая распространенная первичная батарея - это угольно-цинковая батарея. Эти первичные батареи были большой проблемой, и единственный способ решить проблему утилизации таких батарей - найти способ их повторного использования, то есть сделать их перезаряжаемыми. Было очевидно, что замена батарей на новые нецелесообразна, поэтому по мере того, как батарей становилось больше мощный и больших стало почти невозможно, не говоря уже о том, что их замена и утилизация обходятся дорого.
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 электронный 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 органический растворители (в большинстве традиционных ЛИА). Теоретически металлический литий является наиболее электрически положительным металлом, имеющим очень высокую емкость, и является лучшим выбором для батарей. Когда LIB перезаряжаются, положительно заряженный ион лития превращается в металлический литий. Таким образом, LIB являются наиболее популярными перезаряжаемыми батареями для использования во всех типах 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 аккумуляторе, что может привести к пожару. На практике LIB действительно нестабильны и неэффективны, поскольку со временем распределение лития становится неоднородным. LIB также имеют низкую скорость заряда и разряда, а проблемы безопасности делают их непригодными для многих мощных и мощных машин, например электрических и гибридных электромобилей. Сообщается, что LIB в очень редких случаях демонстрирует хорошую емкость и уровень удержания.
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 ACS Nano Letters, исследователи 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 нанопроволоки добавляются в твердотельный полимерный электролит. Твердотельный электролит смешивали с нанопроводами бората магния 5, 10, 15 и 20 масс. Было видно, что нанопроволоки увеличивают проводимость твердотельного полимерного электролита, что делает батареи более прочными и эластичными по сравнению с ранее использовавшимися без нанопроволок. Это увеличение проводимости было связано с увеличением количества ионов, проходящих и движущихся через электролит, и с гораздо большей скоростью. Вся установка была похожа на батарею, но с добавленными нанопроводами. Это показало более высокую производительность и увеличенное количество циклов по сравнению с обычными батареями. Также был проведен важный тест на воспламеняемость, и было замечено, что аккумулятор не горит. Широко используемые в настоящее время портативные приложения, такие как мобильные телефоны и ноутбуки, необходимо модернизировать с использованием максимальной и наиболее компактной накопленной энергии. Это, очевидно, увеличивает риск сильной разрядки, и это приемлемо для таких устройств из-за небольшого формата необходимых батарей. Но по мере того, как батареи разрабатываются и испытываются на практике, безопасность, долговечность и мощность приобретают первостепенное значение.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Sheng O et al. 2018. Многофункциональные твердотельные электролиты на основе нанопроволоки Mg2B2O5 с высокой ионной проводимостью, отличными механическими свойствами и огнестойкостью. Нано-буквы. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
