Študija je odkrila način, kako narediti baterije, ki jih uporabljamo vsak dan, bolj odporne, zmogljive in varne.
Piše se leto 2018 in naše vsakdanje življenje zdaj napajajo različni pripomočki, ki bodisi delujejo naprej elektrika ali na baterije. Naša odvisnost od pripomočkov in naprav, ki delujejo na baterije, izjemno narašča. A baterija je naprava, ki shranjuje kemično energijo, ki se pretvori v električno. Baterije so kot mini kemični reaktorji, ki v reakciji proizvajajo elektrone, polne energije, ki tečejo skozi zunanjo napravo. Ne glede na to, ali gre za mobilne telefone, prenosnike ali druga celo električna vozila, so baterije – običajno litij-ionske – glavni vir energije za te tehnologije. Ker tehnologija še naprej napreduje, obstaja nenehno povpraševanje po bolj kompaktnih, visoko zmogljivih in varnih polnilnih baterijah.
Baterije imajo dolgo in slavno zgodovino. Ameriški znanstvenik Benjamin Franklin je prvič uporabil izraz "baterija" leta 1749, ko je izvajal poskuse z elektriko z uporabo sklopa povezanih kondenzatorjev. Italijanski fizik Alessandro Volta je izumil prvo baterijo leta 1800, ko je zložil diske iz bakra (Cu) in cinka (Zn), ločenih s krpo, namočeno v slano vodo. Svinčevo-kislinska baterija, ena najtrajnejših in najstarejših baterij za ponovno polnjenje, je bila izumljena leta 1859 in se še danes uporablja v številnih napravah, vključno z motorjem z notranjim zgorevanjem v vozilih.
Baterije so prišle daleč in danes so na voljo v različnih velikostih od velikih megavatnih velikosti, tako da so teoretično sposobne hraniti energijo iz sončnih elektrarn in osvetliti mini mesta ali pa so lahko tako majhne kot tiste, ki se uporabljajo v elektronskih urah. , čudovito kajne. V tako imenovani primarni bateriji je reakcija, ki povzroči tok elektronov, nepovratna in sčasoma, ko se eden od njenih reaktantov porabi, se baterija izprazni ali umre. Najpogostejša primarna baterija je cink-ogljikova baterija. Te primarne baterije so predstavljale velik problem in edini način za reševanje odlaganja takšnih baterij je bil najti metodo, s katero bi jih lahko ponovno uporabili – kar pomeni, da bi jih naredili za ponovno polnjenje. Zamenjava baterij z novimi je bila očitno nepraktična, zato je bilo baterij vedno več močan in veliko je postalo skoraj nemogoče, da ne omenjam precej dragega, da bi jih zamenjali in odstranili.
Nikelj-kadmijeva baterija (NiCd) je bila prva priljubljena polnilna baterija, ki je kot elektrolit uporabljala alkalijo. Leta 1989 so bile razvite nikelj-kovinske vodikove baterije (NiMH) z daljšo življenjsko dobo kot NiCd baterije. Vendar so imeli nekaj pomanjkljivosti, predvsem to, da so bili zelo občutljivi na prekomerno polnjenje in pregrevanje, še posebej, ko so bili polnjeni recimo do največje stopnje. Zato jih je bilo treba polniti počasi in previdno, da bi se izognili kakršni koli poškodbi, in so bili potrebni daljši časi za polnjenje s preprostejšimi polnilniki.
Litij-ionske baterije (LIB), izumljene leta 1980, so najpogosteje uporabljene baterije v potrošniških elektronska naprave danes. Litij je eden najlažjih elementov in ima enega največjih elektrokemijskih potencialov, zato je ta kombinacija idealna za izdelavo baterij. V LIB se litijevi ioni premikajo med različnimi elektrodami skozi elektrolit, ki je sestavljen iz soli in organsko topila (v večini tradicionalnih LIB). Teoretično je litij najbolj električno pozitivna kovina z zelo visoko zmogljivostjo in je najboljša možna izbira za baterije. Ko se akumulatorji LIB premalo polnijo, pozitivno nabit litij-ion postane kovinski litij. Tako so akumulatorji LIB najbolj priljubljene akumulatorske baterije za uporabo v vseh vrstah prenosnih naprav zaradi svoje dolge življenjske dobe in velike zmogljivosti. Vendar pa je ena velika težava, da lahko elektrolit zlahka izhlapi, kar povzroči kratek stik v bateriji, kar je lahko nevarnost požara. V praksi so LIB resnično nestabilni in neučinkoviti, saj sčasoma razporeditve litija postanejo neenakomerne. LIB imajo tudi nizke stopnje polnjenja in praznjenja, zaradi pomislekov glede varnosti pa niso primerni za številne visoko zmogljive in zmogljive stroje, na primer električna in hibridna električna vozila. Poročali so, da LIB v zelo redkih primerih kaže dobro zmogljivost in stopnjo zadrževanja.
Tako v svetu baterij ni vse popolno, saj je bilo v zadnjih letih veliko baterij označenih kot nevarnih, ker se vnamejo, so nezanesljive in včasih neučinkovite. Znanstveniki po vsem svetu iščejo baterije, ki bodo majhne, varno polnilne, lažje, odpornejše in hkrati zmogljivejše. Zato se je fokus premaknil na polprevodniške elektrolite kot potencialno alternativo. Znanstveniki so poskušali ohraniti to kot ciljne možnosti, vendar sta stabilnost in razširljivost ovira večine študij. Polimerni elektroliti so pokazali velik potencial, ker niso le stabilni, ampak tudi prilagodljivi in tudi poceni. Na žalost je glavna težava takšnih polimernih elektrolitov njihova slaba prevodnost in mehanske lastnosti.
V nedavni študiji, objavljeni v ACS Nano Pisma, raziskovalci so pokazali, da je mogoče varnost baterije in celo številne druge lastnosti izboljšati z dodajanjem nanožic, zaradi česar je baterija vrhunska. Ta skupina raziskovalcev s Visoke šole za znanost in inženirstvo materialov Tehnološke univerze Zhejiang na Kitajskem je gradila na svojih prejšnjih raziskavah, kjer so izdelali nanožice iz magnezijevega borata, ki so pokazale dobre mehanske lastnosti in prevodnost. V trenutni študiji so preverili, ali bi to veljalo tudi za baterije nanožice se dodajo trdnemu polimernemu elektrolitu. Elektrolit v trdnem stanju smo pomešali s 5, 10, 15 in 20 mas nanožic magnezijevega borata. Ugotovljeno je bilo, da so nanožice povečale prevodnost elektrolita iz polimera v trdnem stanju, zaradi česar so bile baterije bolj trdne in odporne v primerjavi s prejšnjimi brez nanožic. To povečanje prevodnosti je bilo posledica povečanja števila ionov, ki prehajajo in se premikajo skozi elektrolit in to z veliko hitrejšo hitrostjo. Celotna postavitev je bila kot baterija, vendar z dodanimi nanožicami. To je pokazalo višjo stopnjo zmogljivosti in povečane cikle v primerjavi z običajnimi baterijami. Opravljen je bil tudi pomemben preizkus vnetljivosti in videlo se je, da baterija ni gorela. Današnje široko uporabljene prenosne aplikacije, kot so mobilni telefoni in prenosniki, je treba nadgraditi z največjo in najbolj kompaktno shranjeno energijo. To očitno poveča tveganje za nasilno praznjenje in je za takšne naprave obvladljivo zaradi majhnega formata potrebnih baterij. Ker pa so zasnovane in preizkušene večje uporabe baterij, so varnost, vzdržljivost in moč izjemnega pomena.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Sheng O et al. 2018. Večnamenski elektroliti v trdnem stanju, omogočeni z nanožico Mg2B2O5, z visoko ionsko prevodnostjo, odličnimi mehanskimi lastnostmi in ognjevarnim delovanjem. Nano črke. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
