Проучването откри начин да направим батериите, които използваме всеки ден, за да бъдат по-устойчиви, мощни и безопасни.
Годината е 2018 и нашето ежедневие сега се подхранва от различни джаджи, които работят или на електричество, или на батерии. Нашата зависимост от джаджи и устройства, работещи с батерии, нараства феноменално. А батерия е устройство, което съхранява химическа енергия, която се превръща в електричество. Батериите са като мини-химични реактори, които имат реакция, произвеждаща електрони, пълни с енергия, които протичат през външното устройство. Независимо дали са неговите мобилни телефони, лаптопи или други дори електрически превозни средства, батериите - обикновено литиево-йонни - са основният източник на енергия за тези технологии. Тъй като технологията продължава да напредва , има непрекъснато търсене на по-компактни, с голям капацитет и безопасни презареждащи се батерии.
Батериите имат дълга и славна история. Американският учен Бенджамин Франклин за първи път използва термина "батерия" през 1749 г., докато извършва експерименти с електричество, използвайки набор от свързани кондензатори. Италианският физик Алесандро Волта изобретява първата батерия през 1800 г., когато подрежда дискове от мед (Cu) и цинк (Zn), разделени от плат, напоен със солена вода. Оловно-киселинната батерия, една от най-издръжливите и най-старите акумулаторни батерии, е изобретена през 1859 г. и все още се използва в много устройства дори днес, включително двигател с вътрешно горене в превозни средства.
Батериите изминаха дълъг път и днес се предлагат в различни размери от големи мегаватови размери, така че на теория те могат да съхраняват енергия от слънчеви ферми и да осветяват мини градове или могат да бъдат толкова малки, колкото тези, използвани в електронните часовници , страхотно нали. В това, което се нарича първична батерия, реакцията, която произвежда поток от електрони, е необратима и в крайна сметка, когато един от нейните реагенти се изразходва, батерията се изтощава или умира. Най-често срещаната първична батерия е цинк-въглеродната батерия. Тези първични батерии бяха голям проблем и единственият начин да се справим с изхвърлянето на такива батерии беше да се намери метод, по който те могат да се използват повторно – което означава, като ги направи презареждащи се. Смяната на батериите с нови беше очевидно непрактична и следователно като батериите ставаха повече мощен и големи стана почти невъзможно да не говорим за доста скъпо да ги смените и изхвърлите.
Никел-кадмиевата батерия (NiCd) е първата популярна акумулаторна батерия, която използва алкали като електролит. През 1989 г. са разработени никел-метални водородни батерии (NiMH) с по-дълъг живот от NiCd батериите. Те обаче имаха някои недостатъци, главно, че бяха много чувствителни към презареждане и прегряване, особено когато бяха заредени, да речем до максималната си скорост. Следователно те трябваше да се зарежда бавно и внимателно, за да се избегнат повреди и изискваше по-дълго време за зареждане от по-прости зарядни устройства.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer electronic 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 органичен solvents (in most traditional LIBs). Theoretically, lithium metal is the most electrically positive metal having very high capacity and is the best possible choice for batteries. When LIBs are underdoing recharging, the positively charged lithium ion becomes lithium metal.Thus, LIBs are most popular rechargeable batteries for use in all kinds of portable devices owing to their long life and high capacity. However, one major problem is that the electrolyte can evaporate easily, causing a short-circuit in the battery and this can be a fire hazard. In practice, LIBs are really unstable and inefficient as over time the lithium dispositions become non-uniform.LIBs also have low charge and discharge rates and safety concerns make them unviable for many high power and high capacity machines, example electric and hybrid electric vehicles. LIB has been reported to exhibit good capacity and retention rates at very rare occasions.
По този начин не всичко е перфектно в света на батериите, тъй като през последните години много батерии бяха маркирани като опасни, защото се запалват, ненадеждни и понякога неефективни. Учените от цял свят са в стремежа да изградят батерии, които ще бъдат малки, безопасно презареждащи се, по-леки, по-устойчиви и в същото време по-мощни. Следователно фокусът се измести към твърдотелни електролити като потенциална алтернатива. Запазването на това като целеви възможности са изпробвани от учените, но стабилността и мащабируемостта са пречка за повечето проучвания. Полимерните електролити са показали голям потенциал, защото са не само стабилни, но и гъвкави, а също и евтини. За съжаление, основният проблем с такива полимерни електролити е тяхната лоша проводимост и механични свойства.
В скорошно проучване, публикувано в ACS Nano Letters, изследователите са показали, че безопасността на батерията и дори много други свойства могат да бъдат подобрени чрез добавяне на нанопроводници към нея, което прави батерията по-добра. Този екип от изследователи от Колежа по материалознание и инженерство, Zhejiang University of Technology, Китай, се основава на предишните си изследвания, при които са направили нанопроводници от магнезиев борат, които показват добри механични свойства и проводимост. В настоящото проучване те провериха дали това ще важи и за батериите, когато такива нанопроводници се добавят към твърд полимерен електролит. Електролитът в твърдо състояние се смесва с 5, 10, 15 и 20 тегловни нанопроводници от магнезиев борат. Видя се, че нанопроводниците повишават проводимостта на твърдотелния полимерен електролит, което прави батериите по-здрави и устойчиви в сравнение с по-ранните без нанопроводници. Това увеличение на проводимостта се дължи на увеличаването на броя на йоните, преминаващи и движещи се през електролита и с много по-бърза скорост. Цялата настройка беше като батерия, но с добавени нанопроводници. Това показа по-висока скорост на производителност и увеличени цикли в сравнение с нормалните батерии. Беше извършен и важен тест за запалимост и се видя, че батерията не гори. Широко използваните преносими приложения днес като мобилни телефони и лаптопи трябва да бъдат надградени с максимално и най-компактно съхранявана енергия. Това очевидно увеличава риска от насилствено разреждане и е управляемо за такива устройства поради малкия формат на необходими батерии. Но тъй като са проектирани и изпробвани по-големи приложения на батериите, безопасността, издръжливостта и мощността придобиват първостепенно значение.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Sheng O et al. 2018. Многофункционални твърдотелни електролити с Mg2B2O5 нанопровод с висока йонна проводимост, отлични механични свойства и огнеустойчиви характеристики. Нано букви. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
