Даследаванне выявіла спосаб зрабіць батарэі, якія мы выкарыстоўваем кожны дзень, больш устойлівымі, магутнымі і бяспечнымі.
Надышоў 2018 год, і наша паўсядзённае жыццё цяпер падсілкоўваецца рознымі гаджэтамі, якія альбо працуюць электрычнасць або на батарэйках. Наша залежнасць ад гаджэтаў і прылад, якія працуюць ад акумулятараў, фенаменальна расце. А акумулятар гэта прылада, якая захоўвае хімічную энергію, якая ператвараецца ў электрычнасць. Батарэі - гэта падобныя на міні-хімічныя рэактары, у якіх адбываецца рэакцыя, у выніку якой утвараюцца электроны, поўныя энергіі, якія працякаюць праз знешняе прылада. Будзь то мабільныя тэлефоны, ноўтбукі ці іншыя нават электрычныя транспартныя сродкі, акумулятары - звычайна літый-іённыя - з'яўляюцца асноўнай крыніцай энергіі для гэтых тэхналогій. Паколькі тэхналогія працягвае развівацца, існуе пастаянны попыт на больш кампактныя, высокай ёмістасці і бяспечныя акумулятарныя батарэі.
Батарэі маюць доўгую і слаўную гісторыю. Амерыканскі навуковец Бенджамін Франклін упершыню выкарыстаў тэрмін «батарэя» ў 1749 годзе, праводзячы эксперыменты з электрычнасцю, выкарыстоўваючы набор злучаных кандэнсатараў. Італьянскі фізік Алесандра Вольта вынайшаў першую батарэю ў 1800 годзе, калі склаў дыскі з медзі (Cu) і цынку (Zn), падзеленых тканінай, змочанай у салёнай вадзе. Свінцова-кіслотны акумулятар, адзін з самых даўгавечных і найстарэйшых акумулятараў, быў вынайдзены ў 1859 годзе і да гэтага часу выкарыстоўваецца ў многіх прыладах нават сёння, уключаючы рухавік унутранага згарання ў транспартных сродках.
Батарэі прайшлі доўгі шлях, і сёння яны выпускаюцца ў розных памерах ад вялікіх мегаватных памераў, так што тэарэтычна яны здольныя назапашваць энергію ад сонечных ферм і асвятляць міні-гарады, альбо яны могуць быць такімі ж маленькімі, як тыя, якія выкарыстоўваюцца ў электронных гадзінах. , дзівосна ці не так. У так называемай першаснай батарэі рэакцыя, якая выклікае паток электронаў, незваротная, і ў рэшце рэшт, калі адзін з яе рэагентаў расходуецца, батарэя разраджаецца або памірае. Самая распаўсюджаная першасная батарэя - гэта цынкава-вугальная батарэя. Гэтыя асноўныя батарэі былі вялікай праблемай, і адзіным спосабам вырашэння праблем з утылізацыяй такіх батарэй было знайсці спосаб, пры якім іх можна было б выкарыстоўваць паўторна, а значыць, зрабіўшы іх перазараджаемымі. Замена батарэек на новыя была відавочна немэтазгодная, а таму батарэй стала больш магутны і вялікімі стала амаль немагчыма не сказаць пра даволі дарагія іх замену і ўтылізацыю.
Нікель-кадміевая батарэя (NiCd) была першай папулярнай акумулятарнай батарэяй, у якой у якасці электраліта выкарыстоўвалася шчолач. У 1989 годзе былі распрацаваны металічна-нікель-вадародныя акумулятары (NiMH) з больш працяглым тэрмінам службы, чым NiCd-акумулятары. Аднак у іх былі некаторыя недахопы, галоўным чынам тое, што яны былі вельмі адчувальныя да перазарадкі і перагрэву, асабліва калі яны зараджаліся, скажам, да максімальнай хуткасці. Такім чынам, іх трэба было зараджаць павольна і асцярожна, каб пазбегнуць пашкоджанняў, і патрабаваўся большы час для зарадкі з дапамогай больш простых зарадных прылад.
Вынайдзеныя ў 1980 годзе літый-іённыя акумулятары (LIB) з'яўляюцца найбольш часта выкарыстоўванымі акумулятарамі ў спажыўцоў электронны прылад сёння. Літый - адзін з самых лёгкіх элементаў і мае адзін з самых вялікіх электрахімічных патэнцыялаў, таму гэтая камбінацыя ідэальна падыходзіць для вырабу батарэй. У LIBs іёны літыя перамяшчаюцца паміж рознымі электродамі праз электраліт, які складаецца з солі і арганічны растваральнікі (у большасці традыцыйных LIB). Тэарэтычна металічны літый з'яўляецца найбольш электрычна станоўчым металам з вельмі высокай ёмістасцю і з'яўляецца лепшым выбарам для батарэй. Калі батарэі LIB недастаткова зараджаюцца, станоўча зараджаны іён літыя становіцца металічным літыем. Такім чынам, батарэі LIB з'яўляюцца найбольш папулярнымі акумулятарнымі батарэямі для выкарыстання ва ўсіх відах партатыўных прылад дзякуючы іх доўгаму тэрміну службы і вялікай ёмістасці. Аднак адна з асноўных праблем заключаецца ў тым, што электраліт можа лёгка выпарацца, выклікаючы кароткае замыканне ў акумулятары, што можа выклікаць пажар. На практыцы LIB сапраўды нестабільныя і неэфектыўныя, бо з цягам часу размяшчэнне літыя становіцца нераўнамерным. LIB таксама маюць нізкія хуткасці зарада і разраду, а праблемы бяспекі робяць іх нежыццяздольнымі для многіх машын высокай магутнасці і ёмістасці, напрыклад, электрычных і гібрыдных электрамабіляў. Паведамляецца, што LIB дэманструе добрую ёмістасць і ўзровень захавання ў вельмі рэдкіх выпадках.
Такім чынам, у свеце батарэек не ўсё ідэальна, паколькі ў апошнія гады многія батарэі былі пазначаны як небяспечныя, таму што яны загараюцца, ненадзейныя, а часам і неэфектыўныя. Навукоўцы ва ўсім свеце шукаюць батарэі, якія будуць невялікімі, бяспечна зараджанымі, лягчэйшымі, больш устойлівымі і ў той жа час больш магутнымі. Такім чынам, акцэнт зрушыўся на цвёрдацельныя электраліты ў якасці патэнцыйнай альтэрнатывы. Навукоўцы спрабавалі захаваць гэта ў якасці цэлі, але стабільнасць і маштабаванасць былі перашкодай для большасці даследаванняў. Палімерныя электраліты праявілі вялікі патэнцыял, таму што яны не толькі стабільныя, але і гнуткія, а таксама недарагія. На жаль, галоўнай праблемай такіх палімерных электралітаў з'яўляецца іх дрэнная праводнасць і механічныя ўласцівасці.
У нядаўнім даследаванні, апублікаваным у ACS Nano Letters, Даследнікі паказалі, што бяспеку батарэі і нават многія іншыя ўласцівасці можна павысіць, дадаўшы да яе нанаправады, што робіць батарэю лепшай. Гэтая група даследчыкаў з Каледжа матэрыялазнаўства і інжынерыі Чжэцзянскага тэхналагічнага ўніверсітэта (Кітай) абапіралася на свае папярэднія даследаванні, дзе яны выраблялі нанаправады з борату магнію, якія дэманстравалі добрыя механічныя ўласцівасці і праводнасць. У бягучым даследаванні яны праверылі, ці будзе гэта таксама справядліва для батарэй, калі такія нанаправодкі дадаюць у цвёрдацельны палімерны электраліт. Цвёрдацельны электраліт змешвалі з 5, 10, 15 і 20 вагамі нанадротаў з бората магнію. Было заўважана, што нанаправодкі павялічылі праводнасць цвёрдацельнага палімернага электраліта, што зрабіла батарэі больш трывалымі і ўстойлівымі ў параўнанні з ранейшымі без нанапровадаў. Такое павелічэнне праводнасці было звязана з павелічэннем колькасці іёнаў, якія праходзяць і рухаюцца праз электраліт і з значна большай хуткасцю. Уся ўстаноўка была як батарэя, але з дададзенымі нанаправодкамі. Гэта паказала больш высокую прадукцыйнасць і павелічэнне цыклаў у параўнанні са звычайнымі батарэямі. Таксама была праведзена важная праверка на гаручасць, і было відаць, што батарэя не гарыць. Шырока выкарыстоўваюцца партатыўныя прыкладанні сёння, такія як мабільныя тэлефоны і ноўтбукі, павінны быць мадэрнізаваны з максімальнай і найбольш кампактнай назапашанай энергіі. Відавочна, што гэта павялічвае рызыку гвалтоўнага разраду, і гэта можна кіраваць для такіх прылад з-за невялікага фармату неабходных батарэй. Але па меры таго, як батарэі распрацаваны і апрабаваны ў больш шырокіх сферах прымянення, бяспека, даўгавечнасць і магутнасць набываюць першараднае значэнне.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Шэн О і інш. 2018. Шматфункцыянальныя цвёрдацельныя электраліты з падтрымкай Mg2B2O5 Nanowire з высокай іённай праводнасцю, выдатнымі механічнымі ўласцівасцямі і вогнетрывалымі характарыстыкамі. Лісты нана. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
