Tutkimus on löytänyt tavan tehdä paristoista, joita käytämme päivittäin, olemaan kestävämpiä, tehokkaampia ja turvallisempia.
Vuosi on 2018 ja jokapäiväistä elämäämme ruokkivat nyt erilaiset vempaimet, jotka joko toimivat sähkö tai paristoilla. Luottamuksemme akkukäyttöisiin vempaimiin ja laitteisiin kasvaa ilmiömäisesti. A akku on laite, joka varastoi kemiallista energiaa, joka muunnetaan sähköksi. Akut ovat kuin minikemiallisia reaktoreita, joiden reaktio tuottaa elektroneja täynnä olevaa energiaa, joka virtaa ulkoisen laitteen läpi. Olipa sen matkapuhelimet tai kannettavat tietokoneet tai muut jopa sähköajoneuvot, akut - yleensä litiumioni - ovat näiden teknologioiden päävirtalähde. Teknologian kehittyessä on jatkuvasti kysyntää entistä pienemmille, tehokkaammille ja turvallisemmille ladattaville akuille.
Akuilla on pitkä ja loistava historia. Amerikkalainen tiedemies Benjamin Franklin käytti termiä "akku" ensimmäisen kerran vuonna 1749 tehdessään sähkökokeita käyttämällä yhdistettyjä kondensaattoreita. Italialainen fyysikko Alessandro Volta keksi ensimmäisen akun vuonna 1800, kun kupari (Cu) ja sinkki (Zn) pinottiin toisistaan suolaveteen kastetulla kankaalla. Lyijyakku, yksi kestävimmistä ja vanhimmista ladattavista akuista, keksittiin vuonna 1859 ja sitä käytetään edelleen monissa laitteissa, mukaan lukien ajoneuvojen polttomoottorit.
Akut ovat kulkeneet pitkän tien, ja nykyään niitä on saatavana eri kokoisina suurista megawattikooista, joten teoriassa ne pystyvät varastoimaan aurinkovoimaloiden sähköä ja valaisemaan pieniä kaupunkeja tai ne voivat olla yhtä pieniä kuin elektronisissa kelloissa käytetyt. , eikö olekin ihmeellistä. Ensisijaisessa akussa reaktio, joka tuottaa elektronien virtauksen, on peruuttamaton ja lopulta, kun yksi sen reagoivista aineista kuluu, akku tyhjenee tai kuolee. Yleisin ensisijainen akku on sinkki-hiiliakku. Nämä ensiöparistot olivat suuri ongelma, ja ainoa tapa ratkaista tällaisten akkujen hävittäminen oli löytää menetelmä, jolla ne voitaisiin käyttää uudelleen – eli tehdä niistä ladattavia. Paristojen vaihtaminen uuteen oli ilmeisen epäkäytännöllistä ja näin ollen paristojen lisääntyessä voimakas ja suuria, niiden vaihtaminen ja hävittäminen kävi lähes mahdottomaksi puhumattakaan melko kalliista.
Nikkelikadmiumparisto (NiCd) oli ensimmäinen suosittu ladattava akku, joka käytti alkalia elektrolyyttinä. Vuonna 1989 kehitettiin nikkelimetallivetyparistoja (NiMH), joilla on pidempi käyttöikä kuin NiCd-akuilla. Niissä oli kuitenkin joitain haittoja, lähinnä se, että ne olivat erittäin herkkiä ylilataukselle ja ylikuumenemiselle varsinkin silloin, kun niitä ladattiin esimerkiksi maksiminopeudella. Siksi ne piti ladata hitaasti ja huolellisesti vaurioiden välttämiseksi, ja yksinkertaisemmilla latureilla lataaminen vaati pidempään.
Vuonna 1980 keksityt litiumioniakut (LIB) ovat kuluttajien yleisimmin käytettyjä akkuja. elektroninen laitteita tänään. Litium on yksi kevyimmistä alkuaineista ja sillä on yksi suurimmista sähkökemiallisista potentiaaleista, joten tämä yhdistelmä sopii erinomaisesti akkujen valmistukseen. LIB:issä litiumionit liikkuvat eri elektrodien välillä elektrolyytin kautta, joka on valmistettu suolasta ja orgaaninen liuottimia (useimmissa perinteisissä LIB:issä). Teoreettisesti litiummetalli on sähköisesti positiivisin metalli, jolla on erittäin suuri kapasiteetti ja se on paras mahdollinen valinta akuille. Kun LIB-akut eivät lataudu, positiivisesti varautunut litiumioni muuttuu litiummetalliksi. Siten LIB:t ovat suosituimpia ladattavia akkuja käytettäväksi kaikenlaisissa kannettavissa laitteissa niiden pitkän käyttöiän ja suuren kapasiteetin ansiosta. Yksi suuri ongelma on kuitenkin se, että elektrolyytti voi haihtua helposti aiheuttaen oikosulun akussa ja tämä voi olla palovaara. Käytännössä LIB:t ovat todella epävakaita ja tehottomia, koska ajan myötä litiumin sijoitukset muuttuvat epäyhtenäisiksi. LIB:illä on myös alhaiset lataus- ja purkausnopeudet, ja turvallisuusongelmat tekevät niistä käyttökelvottomia monille suuritehoisille ja suuritehoisille koneille, esimerkiksi sähkö- ja hybridi-sähköajoneuvoille. LIB:n on raportoitu osoittavan hyvät kapasiteetit ja säilytysnopeudet hyvin harvoissa tapauksissa.
Kaikki ei siis ole täydellistä akkumaailmassa, sillä viime vuosina monet akut on merkitty vaarallisiksi, koska ne syttyvät tuleen, ovat epäluotettavia ja joskus tehottomia. Tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät rakentamaan akkuja, jotka ovat pieniä, turvallisesti ladattavia, kevyempiä, joustavampia ja samalla tehokkaampia. Tästä syystä painopiste on siirtynyt puolijohdeelektrolyytteihin mahdollisena vaihtoehtona. Tiedemiehet ovat yrittäneet pitää tätä tavoitevaihtoehtona, mutta vakaus ja skaalautuvuus ovat olleet esteenä useimmissa tutkimuksissa. Polymeerielektrolyytit ovat osoittaneet suurta potentiaalia, koska ne eivät ole vain stabiileja vaan myös joustavia ja myös edullisia. Valitettavasti tällaisten polymeerielektrolyyttien pääongelma on niiden huono johtavuus ja mekaaniset ominaisuudet.
Tuoreessa tutkimuksessa, joka julkaistiin ACS:ssä nano Letters, Tutkijat ovat osoittaneet, että akun turvallisuutta ja jopa monia muita ominaisuuksia voidaan parantaa lisäämällä siihen nanojohtimia, mikä tekee akusta ylivoimaisen. Tämä Kiinan Zhejiangin teknillisen yliopiston materiaalitieteen ja tekniikan korkeakoulun tutkijaryhmä on rakentanut aiemman tutkimuksensa pohjalta, jossa he valmistivat magnesiumboraattinanolankoja, joilla oli hyvät mekaaniset ominaisuudet ja johtavuus. Nykyisessä tutkimuksessa he tarkistivat, pitäisikö tämä paikkansa myös akkujen kohdalla nanolangat lisätään kiinteään polymeerielektrolyyttiin. Kiinteän olomuodon elektrolyytti sekoitettiin 5, 10, 15 ja 20 painon kanssa magnesiumboraattinanolankoja. Havaittiin, että nanolangat lisäsivät solid-state-polymeerielektrolyytin johtavuutta, mikä teki akuista tukevampia ja kimmoisampia verrattuna aikaisempiin ilman nanolankoja. Tämä johtavuuden kasvu johtui elektrolyytin läpi kulkevien ja liikkuvien ionien lukumäärän lisääntymisestä ja paljon nopeammin. Koko kokoonpano oli kuin akku, mutta siihen oli lisätty nanolangat. Tämä osoitti korkeampaa suorituskykyä ja lisääntyneitä jaksoja verrattuna normaaleihin akkuihin. Myös tärkeä syttyvyystesti suoritettiin ja havaittiin, että akku ei palanut. Nykyään laajasti käytetyt kannettavat sovellukset, kuten matkapuhelimet ja kannettavat tietokoneet, on päivitettävä maksimaalisella ja pienimmällä mahdollisella varastoitulla energialla. Tämä luonnollisesti lisää voimakkaan purkauksen riskiä, ja se on hallittavissa tällaisissa laitteissa tarvittavien paristojen pienen koon vuoksi. Mutta kun akkujen suurempia sovelluksia suunnitellaan ja kokeillaan, turvallisuus, kestävyys ja teho ovat erittäin tärkeitä.
***
{Voit lukea alkuperäisen tutkimuspaperin napsauttamalla alla olevaa DOI-linkkiä lainattujen lähteiden luettelossa}
Lähteet)
Sheng O et ai. 2018. Mg2B2O5-nanolankakäyttöiset monitoimiset puolijohdeelektrolyytit, joilla on korkea ioninjohtavuus, erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja palonestokyky. Nano kirjaimet. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
