Проучването откри начин да направим батериите, които използваме всеки ден, за да бъдат по-устойчиви, мощни и безопасни.
Годината е 2018 и ежедневието ни сега се захранва от различни джаджи, които или работят електричество или на батерии. Нашата зависимост от захранвани с батерии джаджи и устройства расте феноменално. А батерия е устройство, което съхранява химическа енергия, която се преобразува в електричество. Батериите са като мини химически реактори, които реагират, произвеждайки електрони, пълни с енергия, които протичат през външното устройство. Независимо дали става въпрос за 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 акумулаторни 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 алкална батерия 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 зареждат бавно и внимателно, за да се избегнат всякакви повреди, и изискваха по-дълго време за зареждане от по-прости зарядни устройства.
Изобретени през 1980 г., литиево-йонните батерии (LIB) са най-често използваните батерии в потребителите електронен устройства днес. Литият е един от най-леките елементи и има един от най-големите електрохимични потенциали, поради което тази комбинация е идеална за производство на батерии. В LIB литиевите йони се движат между различни електроди чрез електролит, който е направен от сол и 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 показаха, 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 своите предишни изследвания, при които са направили нанопроводници от магнезиев борат, които показват добри механични свойства и проводимост. В настоящото проучване те провериха дали това би било вярно и за батериите, когато са 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
