Studiul a descoperit o modalitate de a face bateriile pe care le folosim în fiecare zi să fie mai rezistente, mai puternice și mai sigure.
Anul este 2018 și viața noastră de zi cu zi este acum alimentată de diferite gadget-uri care funcționează fie electricitate sau pe baterii. Dependența noastră de gadgeturi și dispozitive care funcționează cu baterie crește fenomenal. A acumulator este un dispozitiv care stochează energie chimică care este transformată în electricitate. Bateriile sunt ca niște mini reactoare chimice care produc electroni plini de energie care circulă prin dispozitivul extern. Fie că sunt telefoane mobile sau laptop-uri sau chiar alte vehicule electrice, bateriile – în general litiu-ion – reprezintă principala sursă de energie pentru aceste tehnologii. Pe măsură ce tehnologia continuă să avanseze, există o cerere continuă pentru baterii reîncărcabile mai compacte, de capacitate mare și sigure.
Bateriile au o istorie lungă și glorioasă. Omul de știință american Benjamin Franklin a folosit pentru prima dată termenul „baterie” în 1749 în timp ce efectua experimente cu electricitate folosind un set de condensatoare conectate. Fizicianul italian Alessandro Volta a inventat prima baterie în 1800 când a stivuit discuri de cupru (Cu) și zinc (Zn) separate cu o cârpă înmuiată în apă sărată. Bateria plumb-acid, una dintre cele mai rezistente și mai vechi baterii reîncărcabile a fost inventată în 1859 și este încă folosită în multe dispozitive chiar și astăzi, inclusiv motorul cu ardere internă în vehicule.
Bateriile au parcurs un drum lung și astăzi vin într-o gamă de dimensiuni de la mărimi mari Megawatt, astfel încât, teoretic, sunt capabile să stocheze energie de la fermele solare și să lumineze mini orașe sau ar putea fi la fel de mici ca cele folosite la ceasurile electronice. , minunat nu-i așa. Într-o baterie a ceea ce se numește o baterie primară, reacția care produce fluxul de electroni este ireversibilă și, în cele din urmă, atunci când unul dintre reactanții săi este consumat, bateria devine descărcată sau moare. Cea mai comună baterie primară este bateria zinc-carbon. Aceste baterii primare au reprezentat o mare problemă și singura modalitate de a aborda eliminarea unor astfel de baterii a fost să găsești o metodă prin care să poată fi reutilizate, adică prin a le face reîncărcabile. Înlocuirea bateriilor cu una nouă a fost evident nepractică și, astfel, pe măsură ce bateriile au devenit mai multe puternic și mare a devenit aproape imposibil să nu mai vorbim destul de costisitoare pentru a le înlocui și a le elimina.
Bateria cu nichel-cadmiu (NiCd) a fost primele baterii reîncărcabile populare care au folosit un alcalin ca electrolit. În 1989 au fost dezvoltate bateriile nichel-metal hidrogen (NiMH) având o durată de viață mai mare decât bateriile NiCd. Cu toate acestea, aveau unele dezavantaje, în principal că erau foarte sensibili la supraîncărcare și supraîncălzire, mai ales atunci când erau încărcate, să zicem la rata maximă. Prin urmare, acestea trebuiau încărcate lent și cu atenție pentru a evita orice deteriorare și au avut nevoie de timpi mai lungi pentru a fi încărcate cu încărcătoare mai simple.
Inventate în 1980, bateriile litiu-ion (LIB) sunt cele mai frecvent utilizate baterii de consum. electronic dispozitivele de astăzi. Litiul este unul dintre cele mai ușoare elemente și are unul dintre cele mai mari potențiale electrochimice, prin urmare această combinație este ideală pentru fabricarea bateriilor. În LIB, ionii de litiu se deplasează între diferiți electrozi printr-un electrolit care este format din sare și organic solvenți (în majoritatea LIB-urilor tradiționale). Teoretic, metalul litiu este cel mai pozitiv metal electric, având o capacitate foarte mare și este cea mai bună alegere posibilă pentru baterii. Atunci când LIB-urile nu se reîncarcă, ionul de litiu încărcat pozitiv devine litiu metal. Astfel, LIB-urile sunt bateriile reîncărcabile cele mai populare pentru utilizare în toate tipurile de dispozitive portabile datorită duratei de viață lungi și capacității mari. Cu toate acestea, o problemă majoră este că electrolitul se poate evapora ușor, provocând un scurtcircuit în baterie și acest lucru poate fi un pericol de incendiu. În practică, LIB-urile sunt cu adevărat instabile și ineficiente, deoarece în timp dispozițiile de litiu devin neuniforme. LIB-urile au, de asemenea, rate scăzute de încărcare și descărcare, iar preocupările de siguranță le fac neviabile pentru multe mașini de mare putere și capacitate mare, de exemplu vehiculele electrice și hibride electrice. S-a raportat că LIB prezintă o capacitate bună și rate de retenție foarte rare.
Astfel, totul nu este perfect în lumea bateriilor, deoarece în ultimii ani o mulțime de baterii au fost marcate ca fiind nesigure, deoarece iau foc, sunt nefiabile și uneori ineficiente. Oamenii de știință din întreaga lume caută să construiască baterii care să fie mici, reîncărcabile în siguranță, mai ușoare, mai rezistente și, în același timp, mai puternice. Prin urmare, accentul s-a mutat pe electroliții în stare solidă ca alternativă potențială. Păstrând acest obiectiv, multe opțiuni au fost încercate de oamenii de știință, dar stabilitatea și scalabilitatea au fost un obstacol al majorității studiilor. Electroliții polimeri au arătat un potențial major deoarece nu sunt doar stabili, ci și flexibili și, de asemenea, ieftini. Din păcate, principala problemă cu astfel de electroliți polimerici este conductivitatea lor slabă și proprietățile mecanice.
Într-un studiu recent publicat în ACS Nano Scrisori, cercetători au demonstrat că siguranța unei baterii și chiar multe alte proprietăți pot fi îmbunătățite prin adăugarea de nanofire la aceasta, făcând bateria superioară. Această echipă de cercetători de la Colegiul de Știința și Inginerie a Materialelor, Universitatea de Tehnologie Zhejiang, China s-a bazat pe cercetările lor anterioare, în care au făcut nanofire de borat de magneziu care au prezentat proprietăți mecanice și conductivitate bune. În studiul actual, ei au verificat dacă acest lucru ar fi valabil și pentru baterii atunci când sunt așa nanofire sunt adăugate la un electrolit polimer în stare solidă. Electrolitul în stare solidă a fost amestecat cu 5, 10, 15 și 20 de nanofire de borat de magneziu. S-a văzut că nanofirele au crescut conductivitatea electrolitului polimeric în stare solidă, ceea ce a făcut bateriile mai rezistente și mai rezistente în comparație cu mai devreme fără nanofire. Această creștere a conductibilității s-a datorat creșterii numărului de ioni care trec și se deplasează prin electrolit și cu o rată mult mai rapidă. Întreaga configurație a fost ca o baterie, dar cu nanofire adăugate. Acest lucru a arătat o rată mai mare de performanță și cicluri crescute în comparație cu bateriile normale. S-a facut si un test important de inflamabilitate si s-a vazut ca bateria nu arde. Aplicațiile portabile utilizate pe scară largă de astăzi, cum ar fi telefoanele mobile și laptopurile, trebuie să fie actualizate cu energie stocată maximă și compactă. Acest lucru crește în mod evident riscul de descărcare violentă și este ușor de gestionat pentru astfel de dispozitive din cauza formatului mic de baterii necesare. Dar pe măsură ce aplicațiile mai mari ale bateriilor sunt proiectate și încercate, siguranța, durabilitatea și puterea capătă o importanță supremă.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Sheng O și colab. 2018. Electroliți multifuncționali cu stare solidă activați cu nanofir Mg2B2O5 cu conductivitate ionică ridicată, proprietăți mecanice excelente și performanță ignifugă. Nano scrisori. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
