Studija je otkrila način da baterije koje svakodnevno koristimo budu otpornije, snažnije i sigurnije.
Godina je 2018. i naš svakodnevni život sada pokreću različiti gadgeti koji rade elektricitet ili na baterije. Naše oslanjanje na gadgete i uređaje na baterije fenomenalno raste. A baterija je uređaj koji pohranjuje kemijsku energiju koja se pretvara u električnu. Baterije su poput mini kemijskih reaktora koji u reakciji proizvode elektrone pune energije koji teku kroz vanjski uređaj. Bilo da se radi o mobilnim telefonima, prijenosnim računalima ili drugim električnim vozilima, baterije – općenito litij-ionske – glavni su izvor energije za ove tehnologije. Kako tehnologija napreduje, postoji stalna potražnja za kompaktnijim, većim kapacitetom i sigurnijim punjivim baterijama.
Baterije imaju dugu i slavnu povijest. Američki znanstvenik Benjamin Franklin prvi je upotrijebio izraz "baterija" 1749. dok je izvodio eksperimente s električnom energijom koristeći skup povezanih kondenzatora. Talijanski fizičar Alessandro Volta izumio je prvu bateriju 1800. kada je naslagao diskove od bakra (Cu) i cinka (Zn) odvojene tkaninom natopljenom slanom vodom. Olovno-kiselinska baterija, jedna od najtrajnijih i najstarijih punjivih baterija, izumljena je 1859. godine i još uvijek se koristi u mnogim uređajima čak i danas, uključujući motor s unutarnjim izgaranjem u vozilima.
Baterije su prešle dug put i danas dolaze u nizu veličina od velikih megavatnih veličina, tako da u teoriji mogu pohranjivati energiju iz solarnih farmi i osvjetljavati mini gradove ili bi mogle biti male poput onih koje se koriste u elektroničkim satovima. , divno zar ne. U onome što se naziva primarnom baterijom, reakcija koja proizvodi protok elektrona je nepovratna i na kraju kada se potroši jedan od njegovih reaktanata baterija postaje prazna ili umire. Najčešća primarna baterija je cink-ugljična baterija. Ove primarne baterije bile su veliki problem i jedini način rješavanja problema zbrinjavanja takvih baterija bio je pronalaženje metode u kojoj bi se mogle ponovno upotrijebiti – što znači da se mogu ponovno puniti. Zamjena baterija novima očito je bila nepraktična, a samim time i baterija je postajala sve više moćan i veliki je postalo gotovo nemoguće ne spomenuti da je prilično skupo zamijeniti ih i zbrinuti.
Nikal-kadmijeva baterija (NiCd) bila je prva popularna punjiva baterija koja je koristila alkaliju kao elektrolit. Godine 1989. razvijene su nikal-metalne vodikove baterije (NiMH) s dužim životnim vijekom od NiCd baterija. Međutim, imali su neke nedostatke, uglavnom to što su bili vrlo osjetljivi na prekomjerno punjenje i pregrijavanje, posebno kada su se punili do svoje maksimalne brzine. Stoga su se morali puniti polagano i pažljivo kako bi se izbjegla oštećenja i bilo im je potrebno dulje vrijeme da se napune jednostavnijim punjačima.
Izumljene 1980. godine, litij-ionske baterije (LIB) najčešće su korištene baterije u potrošačkim elektronički uređaja danas. Litij je jedan od najlakših elemenata i ima jedan od najvećih elektrokemijskih potencijala, stoga je ova kombinacija idealna za izradu baterija. U LIB-ovima, litijevi ioni kreću se između različitih elektroda kroz elektrolit koji se sastoji od soli i organski otapala (u većini tradicionalnih LIB-ova). Teoretski, metalni litij je električki najpozitivniji metal s vrlo velikim kapacitetom i najbolji je mogući izbor za baterije. Kada se LIB-ovi nedovoljno pune, pozitivno nabijeni litij-ion postaje metalni litij. Stoga su LIB-ovi najpopularnije punjive baterije za upotrebu u svim vrstama prijenosnih uređaja zahvaljujući dugom vijeku trajanja i velikom kapacitetu. Međutim, jedan veliki problem je taj što elektrolit može lako ispariti, uzrokujući kratki spoj u bateriji i to može biti opasnost od požara. U praksi, LIB-ovi su stvarno nestabilni i neučinkoviti jer s vremenom raspodjela litija postaje neujednačena. LIB-ovi također imaju niske stope punjenja i pražnjenja, a sigurnosni problemi ih čine neodrživim za mnoge strojeve velike snage i velikog kapaciteta, na primjer električna i hibridna električna vozila. Zabilježeno je da LIB pokazuje dobar kapacitet i stope zadržavanja u vrlo rijetkim prilikama.
Dakle, nije sve savršeno u svijetu baterija jer je posljednjih godina mnogo baterija označeno kao nesigurno jer se pale, nepouzdane su i ponekad neučinkovite. Znanstvenici diljem svijeta u potrazi su za stvaranjem baterija koje će biti male, sigurno punjive, lakše, otpornije i u isto vrijeme snažnije. Stoga se fokus pomaknuo na elektrolite u čvrstom stanju kao potencijalnu alternativu. Znanstvenici su pokušali zadržati ovo kao cilj, ali stabilnost i skalabilnost bili su prepreka većini studija. Polimerni elektroliti pokazali su veliki potencijal jer nisu samo stabilni, već i fleksibilni i također jeftini. Nažalost, glavni problem s takvim polimernim elektrolitima je njihova loša vodljivost i mehanička svojstva.
U nedavnoj studiji objavljenoj u ACS Nano slova, Istraživači pokazali su da se sigurnost baterije, pa čak i mnoga druga svojstva, mogu poboljšati dodavanjem nanožica, čineći bateriju superiornom. Ovaj tim istraživača s College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Kina, temeljio se na svojim prethodnim istraživanjima u kojima su napravili nanožice od magnezij borata koje su pokazale dobra mehanička svojstva i vodljivost. U trenutnoj studiji provjerili su vrijedi li to i za baterije nanožice dodaju se polimernom elektrolitu u čvrstom stanju. Čvrsti elektrolit pomiješan je s nanožicama od 5, 10, 15 i 20 težine magnezijevog borata. Vidjelo se da su nanožice povećale vodljivost čvrstog polimernog elektrolita što je baterije učinilo čvršćim i otpornijim u usporedbi s prethodnim bez nanožica. Ovo povećanje vodljivosti nastalo je zbog povećanja broja iona koji prolaze i kreću se kroz elektrolit i to mnogo bržom brzinom. Cijela postavka bila je poput baterije, ali s dodanim nanožicama. To je pokazalo višu stopu performansi i povećane cikluse u usporedbi s normalnim baterijama. Također je napravljen važan test zapaljivosti te se vidjelo da baterija nije izgorjela. Današnje široko korištene prijenosne aplikacije poput mobilnih telefona i prijenosnih računala potrebno je nadograditi maksimalnom i najkompaktnijim pohranjenom energijom. To očito povećava rizik od nasilnog pražnjenja, a to je za takve uređaje izvodljivo zbog malog formata potrebnih baterija. Ali kako su veće primjene baterija osmišljene i isprobane, sigurnost, izdržljivost i snaga postaju od najveće važnosti.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Sheng O i sur. 2018. Mg2B2O5 multifunkcionalni elektroliti u čvrstom stanju s visokom ionskom vodljivošću, izvrsnim mehaničkim svojstvima i otpornošću na plamen. Nano slova. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
