Исследование открыло способ сделать батареи, которые мы используем каждый день, более устойчивыми, мощными и безопасными.
На дворе 2018 год, и наша повседневная жизнь теперь наполнена различными гаджетами, которые работают на электричество или на батарейках. Наша зависимость от гаджетов и устройств с батарейным питанием растет феноменально. А аккумулятор Это устройство, накапливающее химическую энергию, которая преобразуется в электричество. Батареи подобны мини-химическим реакторам, в которых в результате реакции образуются электроны, полные энергии, которые протекают через внешнее устройство. Будь то сотовые телефоны, ноутбуки или другие даже электромобили, батареи – обычно литий-ионные – являются основным источником энергии для этих технологий. По мере развития технологий существует постоянный спрос на более компактные, емкие 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, 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.
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.
Изобретенные в 1980 году литий-ионные аккумуляторы (LIB) являются наиболее часто используемыми батареями в потребительских устройствах. электронный устройства сегодня. Литий — один из самых легких элементов и обладает одним из самых больших электрохимических потенциалов, поэтому такое сочетание идеально подходит для изготовления аккумуляторов. В ЛИА ионы лития перемещаются между разными электродами через электролит, состоящий из соли и 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 показали, что безопасность батареи и даже многие другие свойства можно повысить, добавив к ней нанопровода, что сделает батарею более совершенной. Эта группа исследователей из Колледжа материаловедения и инженерии Чжэцзянского технологического университета, Китай, опиралась на свои предыдущие исследования, в ходе которых они создали нанопроволоки из бората магния, которые продемонстрировали хорошие механические свойства и проводимость. В текущем исследовании они проверили, справедливо ли это и для батарей, когда такие 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.
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
