A tanulmány felfedezett egy módot arra, hogy a mindennap használt akkumulátorokat rugalmasabbá, erősebbé és biztonságosabbá tegyük.
2018 van, és mindennapjainkat immár különböző kütyük táplálják, amelyek vagy működnek villamos energia vagy akkumulátorokon. Az akkumulátorral működő kütyük és eszközök iránti támaszkodásunk fenomenálisan növekszik. A akkumulátor egy olyan eszköz, amely kémiai energiát tárol, amely elektromos árammá alakul. Az akkumulátorok olyan mini kémiai reaktorok, amelyek reakciója során elektronok teli energiát állítanak elő, amely a külső eszközön áramlik át. Legyen szó mobiltelefonról, laptopról vagy más, akár elektromos járműről, az akkumulátorok – általában lítium-ion – a fő áramforrás ezeknek a technológiáknak. Ahogy a technológia folyamatosan fejlődik, folyamatos igény mutatkozik a kompaktabb, nagyobb kapacitású és biztonságosabb újratölthető akkumulátorok iránt.
Az akkumulátoroknak hosszú és dicsőséges története van. Benjamin Franklin amerikai tudós először 1749-ben használta az „akkumulátor” kifejezést, miközben elektromos kísérleteket végzett egy sor összekapcsolt kondenzátor segítségével. Alessandro Volta olasz fizikus 1800-ban találta fel az első akkumulátort, amikor rézből (Cu) és cinkből (Zn) álló korongokat rakott szét sós vízbe áztatott ruhával. Az ólom-savas akkumulátort, az egyik legtartósabb és legrégebbi újratölthető akkumulátort 1859-ben találták fel, és még ma is használják számos eszközben, beleértve a járművek belső égésű motorját is.
Az akkumulátorok hosszú utat tettek meg, és ma már a nagy megawattos méretektől kezdve többféle méretben kaphatók, így elméletileg képesek tárolni a napenergia-farmokból származó energiát és megvilágítani a mini városokat, vagy akár olyan kicsik is lehetnek, mint az elektronikus órákban használtak. , csodálatos ugye. Az úgynevezett elsődleges akkumulátorban az elektronok áramlását kiváltó reakció visszafordíthatatlan, és végül, amikor az egyik reaktáns elfogy, az akkumulátor lemerül vagy meghal. A leggyakoribb elsődleges akkumulátor a cink-szén akkumulátor. Ezek az elsődleges akkumulátorok nagy problémát jelentettek, és az ilyen akkumulátorok ártalmatlanításának egyetlen módja az volt, hogy olyan módszert találjunk, amellyel újrafelhasználhatók – vagyis újratölthetővé tették őket. Az elemek újakra cseréje nyilvánvalóan nem volt praktikus, és így az elemek egyre több lett erős és nagy, szinte lehetetlenné vált, nem beszélve arról, hogy a cseréjük és az ártalmatlanításuk meglehetősen drága.
A nikkel-kadmium akkumulátor (NiCd) volt az első népszerű újratölthető akkumulátor, amely lúgot használt elektrolitként. 1989-ben nikkel-fém hidrogén akkumulátorokat (NiMH) fejlesztettek ki, amelyek hosszabb élettartammal rendelkeznek, mint a NiCd akkumulátorok. Azonban volt néhány hátrányuk, főként az, hogy nagyon érzékenyek voltak a túltöltésre és a túlmelegedésre, különösen akkor, amikor mondjuk a maximális töltési sebességükön voltak. Ezért lassan és óvatosan kellett tölteni, hogy elkerüljük a sérüléseket, és hosszabb időre volt szükség az egyszerűbb töltőkkel való feltöltéshez.
Az 1980-ban feltalált lítium-ion akkumulátorok (LIB) a fogyasztók körében leggyakrabban használt akkumulátorok. elektronikus eszközök ma. A lítium az egyik legkönnyebb elem, és az egyik legnagyobb elektrokémiai potenciállal rendelkezik, ezért ez a kombináció kiválóan alkalmas akkumulátorok készítésére. A LIB-ekben a lítium-ionok a különböző elektródák között egy elektroliton keresztül mozognak, amely sóból és organikus oldószerek (a legtöbb hagyományos LIB-ben). Elméletileg a lítium fém a leginkább elektromosan pozitív, nagyon nagy kapacitású fém, és a lehető legjobb választás akkumulátorokhoz. Amikor a LIB-k nem töltődnek, a pozitív töltésű lítium-ion lítiumfémmé válik. Így a LIB-k a legnépszerűbb újratölthető akkumulátorok, amelyek mindenféle hordozható eszközben használhatók hosszú élettartamuk és nagy kapacitásuk miatt. Az egyik fő probléma azonban az, hogy az elektrolit könnyen elpárologhat, ami rövidzárlatot okozhat az akkumulátorban, és ez tűzveszélyes lehet. A gyakorlatban a LIB-k nagyon instabilok és nem hatékonyak, mivel az idő múlásával a lítium elrendezése egyenetlenné válik. A LIB-k töltési és kisütési sebessége is alacsony, és biztonsági aggályok miatt életképtelenné válik számos nagy teljesítményű és nagy kapacitású gép, például elektromos és hibrid elektromos járművek számára. A LIB jelentések szerint nagyon ritka esetekben jó kapacitást és visszatartási arányt mutat.
Így az akkumulátorok világában nem minden tökéletes, mivel az elmúlt években sok akkumulátort nem biztonságosnak jelöltek, mert meggyulladnak, megbízhatatlanok és néha nem hatékonyak. A tudósok világszerte arra törekednek, hogy olyan akkumulátorokat építsenek, amelyek kicsik, biztonságosan újratölthetőek, könnyebbek, rugalmasabbak és egyben erősebbek lesznek. Ezért a hangsúly a szilárdtest elektrolitokra, mint lehetséges alternatívákra helyeződött át. A tudósok megpróbálták ezt célként tartani, de a stabilitás és a méretezhetőség a legtöbb tanulmány akadálya volt. A polimer elektrolitok nagy potenciált mutattak, mivel nemcsak stabilak, hanem rugalmasak és olcsók is. Sajnos az ilyen polimer elektrolitokkal a fő probléma a rossz vezetőképességük és mechanikai tulajdonságaik.
Az ACS-ben nemrég megjelent tanulmányban Nano Letters, kutatók kimutatták, hogy az akkumulátor biztonsága és még sok más tulajdonsága is fokozható nanovezetékek hozzáadásával, így az akkumulátor kiváló. A Zhejiang University of Technology (Kínai) Anyagtudományi és Mérnöki Főiskola kutatócsoportja korábbi kutatásaira épített, amelyek során jó mechanikai tulajdonságokkal és vezetőképességgel rendelkező magnézium-borát nanohuzalokat készítettek. A jelenlegi tanulmányban azt ellenőrizték, hogy ez az akkumulátorokra is igaz lenne, ha ilyen nanohuzalok szilárd fázisú polimer elektrolithoz adják. A szilárdtest elektrolitot 5, 10, 15 és 20 tömegű magnézium-borát nanoszálakkal kevertük össze. Látható volt, hogy a nanohuzalok növelték a szilárdtest polimer elektrolit vezetőképességét, ami szilárdabbá és rugalmasabbá tette az akkumulátorokat a nanohuzalok nélküli korábbiakhoz képest. Ezt a vezetőképesség-növekedést az elektroliton áthaladó és áthaladó ionok számának növekedése okozta, és sokkal gyorsabban. Az egész összeállítás olyan volt, mint egy akkumulátor, de hozzáadott nanovezetékekkel. Ez nagyobb teljesítményt és megnövekedett ciklusokat mutatott a normál akkumulátorokhoz képest. Fontos gyúlékonysági vizsgálatot is végeztek, és kiderült, hogy az akkumulátor nem égett le. Napjaink széles körben használt hordozható alkalmazásait, mint például a mobiltelefonokat és laptopokat a maximális és legkompaktabb tárolt energiával kell frissíteni. Ez nyilvánvalóan növeli a heves kisülés kockázatát, és az ilyen eszközöknél kezelhető, mivel az elemek kis formátuma szükséges. De mivel az akkumulátorok nagyobb alkalmazási területeit tervezik és próbálják ki, a biztonság, a tartósság és a teljesítmény rendkívül fontossá válik.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 nanowire-kompatibilis, többfunkciós szilárdtest-elektrolitok magas ionvezetőképességgel, kiváló mechanikai tulajdonságokkal és égésgátló teljesítménnyel. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
