A tanulmány felfedezett egy módot arra, hogy a mindennap használt akkumulátorokat rugalmasabbá, erősebbé és biztonságosabbá tegyük.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on villamos energia or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A akkumulátor is a device that stores chemical energy that gets converted into electricity. Batteries are likemini chemical reactors having reaction producing electronsfull of energy which flow through the external device.Whether its cell phones or laptops or other even electric vehicles, batteries – generally lithium-ion – is the main power source for these technologies. As technology keeps advancing, there is continuous demand for more compact, high capacity, and safe rechargeable batteries.
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.
Nickel-cadmium battery (NiCd) was the first popular rechargeable batteries which used an alkali as an electrolyte. In 1989 nickel-metal hydrogen batteries (NiMH) were developed having longer life than NiCd batteries. However, they had some drawbacks, mainly that they were very sensitive to overcharging and overheating specially when they were charged say to their maximum rate. Therefore, they had to be charged slowly and carefully to avoid any damage and required longer times to get charged by simpler chargers.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer elektronikus devices today. Lithium is one of the lightest elements and it has one of the largest electrochemical potentials, therefore this combination is ideally suited for making batteries. In LIBs, lithium ions move between different electrodes through an electrolyte which is made of salt and 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 have shown that a battery’s safety and even many other properties can be enhanced by adding nanowires to it, making the battery superior. This team of researchersfrom College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, China have built upon their previous research where they made magnesium borate nanowires which exhibited good mechanical properties and conductivity. In the current study they checked if this would also be true for batteries when such 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
