Stúdzje hat in manier ûntdutsen om batterijen te meitsjen dy't wy elke dei brûke om fjirder, krêftiger en feilich te wêzen.
It jier is 2018 en ús deistich libben wurdt no oandreaun troch ferskate gadgets dy't of rinne op elektrisiteit of op batterijen. Us fertrouwen op batterij-oandreaune gadgets en apparaten groeit fenomenaal. IN batterij is in apparaat dat gemyske enerzjy opslaat dy't wurdt omset yn elektrisiteit. Batterijen binne as mini-gemyske reaktors dy't reaksje produsearje elektroanen fol enerzjy dy't troch it eksterne apparaat streame. Of har mobyltsjes of laptops of oare sels elektryske auto's, batterijen - oer it algemien lithium-ion - is de wichtichste krêftboarne foar dizze technologyen. As technology trochgiet, is d'r kontinu fraach nei kompakter, hege kapasiteit en feilige oplaadbare batterijen.
Batterijen hawwe in lange en glorieuze skiednis. Amerikaanske wittenskipper Benjamin Franklin brûkte earst de term "batterij" yn 1749 by it útfieren fan eksperiminten mei elektrisiteit mei in set keppele kondensatoren. Italjaanske natuerkundige Alessandro Volta útfûn de earste batterij yn 1800 doe't hestacked skiven fan koper (Cu) en sink (Zn) skieden troch doek wiet yn sâlt wetter. De lead-sûre batterij, ien fan 'e meast duorsume en âldste oplaadbare batterijen waard útfûn yn 1859 en wurdt noch altyd brûkt yn in protte apparaten sels hjoed, ynklusyf ynterne ferbaarningsmotor yn auto's.
Batterijen binne in lange wei kommen en hjoed komme se yn in ferskaat oan maten fan grutte Megawatt-maten, dus yn teory binne se yn steat om enerzjy fan sinnebuorkerijen op te slaan en mini-stêden op te ljochtsjen of se kinne sa lyts wêze as dejingen dy't brûkt wurde yn elektroanyske horloazjes , prachtich is it net. Yn in wat in primêre batterij neamd wurdt, is reaksje dy't de stream fan elektroanen produseart ûnomkearber en úteinlik as ien fan har reactants wurdt konsumearre, wurdt de batterij flak of stjert. De meast foarkommende primêre batterij is de sink-koalstofbatterij. Dizze primêre batterijen wiene in grut probleem en de iennichste manier om it fuortheljen fan sokke batterijen oan te pakken wie in metoade te finen wêryn't se opnij brûkt wurde kinne - dat wol sizze troch se oplaadber te meitsjen. Ferfanging fan batterijen mei nije wie fansels net praktysk en dus as de batterijen mear waarden krêftich en grut waard it neist ûnmooglik om net te sizzen frij djoer om se te ferfangen en ôf te meitsjen.
Nikkel-kadmiumbatterij (NiCd) wie de earste populêre oplaadbare batterijen dy't in alkali brûkten as elektrolyt. Yn 1989 waarden nikkel-metaal wetterstofbatterijen (NiMH) ûntwikkele mei langer libben dan NiCd-batterijen. Lykwols, se hiene wat neidielen, benammen dat se wiene hiel gefoelich foar overcharge en oververhitting spesjaal doe't se waarden belêste sizze oan harren maksimum taryf. Dêrom moasten se stadich en foarsichtich opladen wurde om skea te foarkommen en hawwe langere tiden nedich om opladen te wurden troch ienfâldiger opladers.
Utfûn yn 1980, Lithium-ion-batterijen (LIB's) binne de meast brûkte batterijen yn konsumint elektroanysk apparaten hjoed. Lithium is ien fan 'e lichtste eleminten en it hat ien fan' e grutste elektrogemyske potensjes, dêrom is dizze kombinaasje by útstek geskikt foar it meitsjen fan batterijen. Yn LIBs ferpleatse lithiumionen tusken ferskate elektroden troch in elektrolyt dy't makke is fan sâlt en biologysk solvents (yn de measte tradisjonele LIBs). Teoretysk is lithiummetaal it meast elektrysk positive metaal mei heul hege kapasiteit en is de bêste mooglike kar foar batterijen. As LIB's ûnder it opladen binne, wurdt it posityf opladen lithium-ion lithiummetaal. Sa binne LIB's meast populêre oplaadbare batterijen foar gebrûk yn alle soarten draachbere apparaten fanwege har lange libben en hege kapasiteit. Ien grut probleem is lykwols dat de elektrolyt maklik kin ferdampe, wêrtroch in koartsluting yn 'e batterij feroarsaket en dit kin in brângefaar wêze. Yn 'e praktyk binne LIB's echt ynstabyl en net effisjint, om't oer de tiid de lithium-disposysjes net-unifoarm wurde.LIB's hawwe ek lege lading- en ûntladingsraten en feiligensproblemen meitsje se unviable foar in protte masines mei hege krêft en hege kapasiteit, bygelyks elektryske en hybride elektryske auto's. LIB is rapportearre om goede kapasiteit en retinsjesifers op heul seldsume gelegenheden te sjen.
Sa is alles net perfekt yn 'e wrâld fan batterijen, om't de lêste jierren in protte batterijen binne markearre as ûnfeilich, om't se yn 'e brân stekke, ûnbetrouber en soms net effisjint binne. Wittenskippers wrâldwiid binne yn 'e syk nei it bouwen fan batterijen dy't lyts, feilich oplaadber, lichter, fjirder en tagelyk machtiger wêze sille. Dêrom is de fokus ferskood nei solid-state elektrolyten as it potinsjele alternatyf. Dit as doel hâlde, binne in protte opsjes besocht troch wittenskippers, mar stabiliteit en skalberens hawwe in hindernis west foar de measte stúdzjes. Polymerelektrolyten hawwe grut potensjeel toand, om't se net allinich stabyl binne, mar ek fleksibel en ek goedkeap. Spitigernôch is it wichtichste probleem mei sokke polymeerelektrolyten har minne konduktiviteit en meganyske eigenskippen.
Yn in resinte stúdzje publisearre yn ACS Nano letters, ûndersikers hawwe sjen litten dat de feiligens fan in batterij en sels in protte oare eigenskippen kinne wurde ferbettere troch it tafoegjen fan nanotraden, wêrtroch't de batterij superieur is. Dit team fan ûndersikers fan College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Sina hat boud op har eardere ûndersyk wêr't se magnesiumboraat nanowires makken dy't goede meganyske eigenskippen en konduktiviteit tentoanstelle. Yn it aktuele ûndersyk hawwe se kontrolearre oft dat ek jilde soe foar batterijen as soks nanowires wurde tafoege oan in solid-state polymer electrolyte. Solid-state electrolyte waard mingd mei 5, 10, 15 en 20 gewicht fan magnesium borate nanowires. It waard sjoen dat de nanotraden de konduktiviteit fan 'e solid-state polymeerelektrolyt fergrutte dy't de batterijen steviger en fjirder makken yn ferliking mei earder sûnder nanotraden. Dizze ferheging fan konduktiviteit wie te tankjen oan de tanimming fan it oantal ioanen dy't troch de elektrolyt passe en bewege en op in folle flugger taryf. De heule opset wie as in batterij, mar mei tafoege nanotraden. Dit toande in hegere snelheid fan prestaasjes en ferhege syklusen yn ferliking mei normale batterijen. Der waard ek in wichtige test fan ûntstekking dien en waard sjoen dat de batterij net baarnde. De breed brûkte draachbere applikaasjes fan hjoed, lykas mobile tillefoans en laptops, moatte wurde opwurdearre mei maksimale en meast kompakte opsleine enerzjy. Dit fergruttet fansels it risiko fan gewelddiedige ûntlading en it is handterber foar sokke apparaten fanwege it lytse formaat fan batterijen dy't nedich binne. Mar om't gruttere applikaasjes fan batterijen binne ûntwurpen en besocht, nimt feiligens, duorsumens en krêft it heechste belang.
***
{Jo kinne it orizjinele ûndersykspapier lêze troch te klikken op de DOI-keppeling hjirûnder jûn yn 'e list mei oanhelle boarne(n)}
Boarne (e)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire Enabled Multifunctional Solid-State Electrolytes mei hege ionyske conductivity, poerbêst meganyske eigenskippen, en Flame-fertragende prestaasjes. Nano letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
