Проучването откри начин да направим батериите, които използваме всеки ден, за да бъдат по-устойчиви, мощни и безопасни.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on електричество or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A батерия 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.
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.
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 електронен 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 разтворители (в повечето традиционни LIB). Теоретично литиевият метал е най-електрически положителният метал с много висок капацитет и е най-добрият възможен избор за батерии. Когато батериите LIB не се презареждат, положително зареденият литиев йон става метален литий. По този начин LIB са най-популярните акумулаторни батерии за използване във всички видове преносими устройства, благодарение на техния дълъг живот и висок капацитет. Въпреки това, един основен проблем е, че електролитът може лесно да се изпари, причинявайки късо съединение в батерията и това може да бъде опасност от пожар. На практика LIB са наистина нестабилни и неефективни, тъй като с течение на времето разпределението на лития става неравномерно. LIB също така имат ниски скорости на зареждане и разреждане и опасенията за безопасността ги правят нежизнеспособни за много машини с висока мощност и голям капацитет, например електрически и хибридни електрически превозни средства. Съобщава се, че LIB показва добър капацитет и нива на задържане в много редки случаи.
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, изследователи 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 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
