Uuring on avastanud viisi, kuidas muuta iga päev kasutatavad akud vastupidavamaks, võimsamaks ja turvalisemaks.
Aasta on 2018 ja meie igapäevaelu toidavad nüüd erinevad vidinad, mis kas töötavad elekter või akudel. Meie sõltuvus akutoitega vidinatest ja seadmetest kasvab fenomenaalselt. A aku on seade, mis salvestab keemilist energiat, mis muundatakse elektriks. Akud on nagu minikeemilised reaktorid, mille reaktsioon tekitab elektronide täis energiat, mis voolab läbi välisseadme. Olgu selle mobiiltelefonid või sülearvutid või muud isegi elektrisõidukid, akud – tavaliselt liitiumioon – on nende tehnoloogiate peamine toiteallikas. Tehnoloogia arenedes on pidev nõudlus kompaktsemate, suurema võimsusega ja ohutumate laetavate akude järele.
Akudel on pikk ja kuulsusrikas ajalugu. Ameerika teadlane Benjamin Franklin kasutas terminit "patarei" esmakordselt 1749. aastal, kui katsetas elektriga ühendatud kondensaatorite komplekti. Itaalia füüsik Alessandro Volta leiutas esimese patarei 1800. aastal, kui vasest (Cu) ja tsingist (Zn) koosnevad kettad üksteisest eraldati soolases vees leotatud riidega. Pliiaku, üks vastupidavamaid ja vanimaid laetavaid akusid, leiutati 1859. aastal ja seda kasutatakse paljudes seadmetes ka tänapäeval, sealhulgas sõidukite sisepõlemismootorites.
Patareid on jõudnud kaugele ja tänapäeval on neid saadaval erinevates suurustes alates suurtest megavattidest, nii et teoreetiliselt suudavad need salvestada päikeseenergiafarmide energiat ja valgustada väikelinnu või olla sama väikesed kui elektroonilistes kellades kasutatavad. , imeline, kas pole. Primaarpatareis on reaktsioon, mis tekitab elektronide voolu, pöördumatu ja lõpuks, kui üks selle reagentidest on ära kasutatud, muutub aku tühjaks või sureb. Kõige tavalisem esmane aku on tsink-süsinik aku. Need primaarpatareid olid suureks probleemiks ja ainus viis selliste patareide kõrvaldamiseks oli leida meetod, kuidas neid uuesti kasutada – see tähendab nende taaslaetavaks muutmist. Patareide vahetamine uute vastu oli ilmselgelt ebapraktiline ja seega akude suurenedes võimas ja suur, muutus nende asendamine ja utiliseerimine üsna kulukaks peaaegu võimatuks.
Nikkel-kaadmiumaku (NiCd) oli esimene populaarne laetav aku, mis kasutas elektrolüüdina leelist. 1989. aastal töötati välja nikkel-metallvesinikpatareid (NiMH), mille eluiga on pikem kui NiCd akudel. Siiski oli neil mõningaid puudusi, peamiselt see, et nad olid väga tundlikud ülelaadimise ja ülekuumenemise suhtes, eriti siis, kui neid laeti maksimaalselt. Seetõttu tuli neid kahjustuste vältimiseks laadida aeglaselt ja ettevaatlikult ning lihtsamate laadijatega laadimiseks kulus kauem aega.
1980. aastal leiutatud liitiumioonakud (LIB) on tarbijates kõige sagedamini kasutatavad akud. elektrooniline seadmed tänapäeval. Liitium on üks kergemaid elemente ja sellel on üks suurimaid elektrokeemilisi potentsiaale, mistõttu see kombinatsioon sobib ideaalselt akude valmistamiseks. LIB-des liiguvad liitiumioonid erinevate elektroodide vahel läbi elektrolüüdi, mis on valmistatud soolast ja orgaaniline lahustid (enamus traditsioonilistes LIB-des). Teoreetiliselt on liitiummetall elektriliselt kõige positiivsem ja väga suure mahutavusega metall ning see on parim võimalik valik akude jaoks. Kui LIB-de laadimine ei ole piisav, muutub positiivselt laetud liitiumioon liitiummetalliks. Seega on LIB-akud oma pika eluea ja suure võimsuse tõttu kõige populaarsemad laetavad akud, mida kasutatakse igasugustes kaasaskantavates seadmetes. Üks suur probleem on aga see, et elektrolüüt võib kergesti aurustuda, põhjustades akus lühise ja see võib olla tuleoht. Praktikas on LIB-d tõesti ebastabiilsed ja ebaefektiivsed, kuna aja jooksul muutuvad liitiumi paigutused ebaühtlaseks. LIB-del on ka madal laadimis- ja tühjenemiskiirus ning ohutusprobleemid muudavad need paljude suure võimsusega ja suure võimsusega masinate, näiteks elektri- ja hübriidelektrisõidukite jaoks elujõuliseks. On teatatud, et LIB-l on väga harvadel juhtudel hea võimsus ja säilivusmäär.
Seega pole akude maailmas kõik täiuslik, kuna viimastel aastatel on palju akusid märgitud ohtlikuks, kuna need süttivad, on ebausaldusväärsed ja mõnikord ebatõhusad. Teadlased kogu maailmas püüavad ehitada akusid, mis oleksid väikesed, ohutult taaslaetavad, kergemad, vastupidavamad ja samal ajal võimsamad. Seetõttu on fookus nihkunud tahkiselektrolüütidele kui potentsiaalsele alternatiivile. Teadlased on proovinud hoida seda sihtvalikuna, kuid stabiilsus ja mastaapsus on olnud enamiku uuringute takistuseks. Polümeerelektrolüüdid on näidanud suurt potentsiaali, kuna need pole mitte ainult stabiilsed, vaid ka paindlikud ja ka odavad. Kahjuks on selliste polümeerelektrolüütide peamine probleem nende halb juhtivus ja mehaanilised omadused.
Hiljutises ACS-is avaldatud uuringus Nano tähed, Teadlased on näidanud, et aku ohutust ja isegi paljusid muid omadusi saab parandada, lisades sellele nanojuhtmeid, muutes aku paremaks. See Hiina Zhejiangi tehnikaülikooli materjaliteaduse ja tehnika kolledži teadlaste meeskond on tuginenud oma varasematele uuringutele, mille käigus nad valmistasid magneesiumboraadi nanotraate, millel olid head mehaanilised omadused ja juhtivus. Praeguses uuringus kontrollisid nad, kas see kehtib ka akude kohta nanojuhtmed lisatakse tahke polümeeri elektrolüüdile. Tahkis-elektrolüüt segati 5, 10, 15 ja 20 massi magneesiumboraadi nanojuhtmetega. Oli näha, et nanojuhtmed suurendasid tahkis-polümeer-elektrolüüdi juhtivust, mis muutis akud tugevamaks ja vastupidavamaks võrreldes varasemate ilma nanojuhtmeteta akudega. Juhtivuse suurenemine oli tingitud elektrolüüti läbivate ja läbivate ioonide arvu suurenemisest ja palju kiiremini. Kogu seade oli nagu aku, kuid lisatud nanojuhtmetega. See näitas tavaliste akudega võrreldes suuremat jõudlust ja suuremat tsükleid. Tehti ka oluline süttivuse test ja oli näha, et aku ei põle. Tänapäeval laialdaselt kasutatavaid kaasaskantavaid rakendusi, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid, tuleb täiendada maksimaalse ja kompaktseima salvestatud energiaga. See suurendab ilmselgelt vägivaldse tühjenemise ohtu ja see on selliste seadmete puhul juhitav, kuna akusid on vaja väikeses formaadis. Kuid kuna akude suuremaid rakendusi kavandatakse ja proovitakse, on ohutus, vastupidavus ja võimsus ülima tähtsusega.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 nanojuhtmega multifunktsionaalsed tahkiselektrolüüdid, millel on kõrge ioonjuhtivus, suurepärased mehaanilised omadused ja leegiaeglustav jõudlus. Nano kirjad. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
