Μελέτη ανακάλυψε έναν τρόπο να φτιάχνουμε μπαταρίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά για να είναι πιο ανθεκτικές, ισχυρές και ασφαλείς.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on ηλεκτρικής ενέργειας or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A μπαταρία 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.
Οι μπαταρίες έχουν μακρά και ένδοξη ιστορία. Ο Αμερικανός επιστήμονας Benjamin Franklin χρησιμοποίησε για πρώτη φορά τον όρο «μπαταρία» το 1749 ενώ εκτελούσε πειράματα με ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας ένα σύνολο συνδεδεμένων πυκνωτών. Ο Ιταλός φυσικός Αλεσάντρο Βόλτα εφηύρε την πρώτη μπαταρία το 1800 όταν οι δίσκοι από χαλκό (Cu) και ψευδάργυρο (Zn) διαχωρίστηκαν με ύφασμα εμποτισμένο σε αλμυρό νερό. Η μπαταρία μολύβδου-οξέος, μια από τις πιο ανθεκτικές και παλαιότερες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, εφευρέθηκε το 1859 και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε πολλές συσκευές ακόμα και σήμερα, συμπεριλαμβανομένου του κινητήρα εσωτερικής καύσης σε οχήματα.
Οι μπαταρίες έχουν προχωρήσει πολύ και σήμερα διατίθενται σε μια σειρά μεγεθών από μεγάλα μεγέθη Megawatt, επομένως θεωρητικά μπορούν να αποθηκεύουν ενέργεια από ηλιακά πάρκα και να φωτίζουν μίνι πόλεις ή θα μπορούσαν να είναι τόσο μικρές όσο αυτές που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά ρολόγια , θαυμάσιο δεν είναι. Σε μια λεγόμενη πρωτογενή μπαταρία, η αντίδραση που παράγει τη ροή ηλεκτρονίων είναι μη αναστρέψιμη και τελικά όταν ένα από τα αντιδρώντα της καταναλώνεται, η μπαταρία γίνεται επίπεδη ή πεθαίνει. Η πιο κοινή κύρια μπαταρία είναι η μπαταρία ψευδαργύρου-άνθρακα. Αυτές οι πρωτεύουσες μπαταρίες ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα και ο μόνος τρόπος για να αντιμετωπιστεί η απόρριψη τέτοιων μπαταριών ήταν να βρεθεί μια μέθοδος με την οποία θα μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν – δηλαδή κάνοντας τις επαναφορτιζόμενες. Η αντικατάσταση των μπαταριών με καινούργια ήταν προφανώς μη πρακτική και έτσι όσο οι μπαταρίες γίνονταν περισσότερες ισχυρός Και ήταν σχεδόν αδύνατο να μην αναφέρουμε αρκετά ακριβό για την αντικατάστασή τους και την απόρριψή τους.
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 ηλεκτρονικά 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 οργανικές solvents (in most traditional LIBs). Theoretically, lithium metal is the most electrically positive metal having very high capacity and is the best possible choice for batteries. When LIBs are underdoing recharging, the positively charged lithium ion becomes lithium metal.Thus, LIBs are most popular rechargeable batteries for use in all kinds of portable devices owing to their long life and high capacity. However, one major problem is that the electrolyte can evaporate easily, causing a short-circuit in the battery and this can be a fire hazard. In practice, LIBs are really unstable and inefficient as over time the lithium dispositions become non-uniform.LIBs also have low charge and discharge rates and safety concerns make them unviable for many high power and high capacity machines, example electric and hybrid electric vehicles. LIB has been reported to exhibit good capacity and retention rates at very rare occasions.
Έτσι, δεν είναι όλα τέλεια στον κόσμο των μπαταριών, καθώς τα τελευταία χρόνια πολλές μπαταρίες έχουν χαρακτηριστεί ως μη ασφαλείς επειδή πιάνουν φωτιά, είναι αναξιόπιστες και μερικές φορές αναποτελεσματικές. Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο αναζητούν την κατασκευή μπαταριών που θα είναι μικρές, επαναφορτιζόμενες με ασφάλεια, ελαφρύτερες, πιο ανθεκτικές και ταυτόχρονα πιο ισχυρές. Ως εκ τούτου, η εστίαση έχει μετατοπιστεί στους ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης ως πιθανή εναλλακτική λύση. Διατηρώντας αυτό ως στόχο πολλές επιλογές έχουν δοκιμαστεί από επιστήμονες, αλλά η σταθερότητα και η επεκτασιμότητα ήταν ένα εμπόδιο στις περισσότερες μελέτες. Οι ηλεκτρολύτες πολυμερών έχουν δείξει μεγάλες δυνατότητες επειδή δεν είναι μόνο σταθεροί αλλά και εύκαμπτοι και επίσης φθηνοί. Δυστυχώς, το κύριο πρόβλημα με τέτοιους πολυμερείς ηλεκτρολύτες είναι η κακή αγωγιμότητα και οι μηχανικές τους ιδιότητες.
Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο ACS Nano γράμματα, ερευνητές 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 νανοσύρματα προστίθενται σε έναν ηλεκτρολύτη πολυμερούς στερεάς κατάστασης. Ο ηλεκτρολύτης στερεάς κατάστασης αναμίχθηκε με νανοσύρματα βορικού μαγνησίου 5, 10, 15 και 20 βάρους. Φάνηκε ότι τα νανοσύρματα αύξησαν την αγωγιμότητα του πολυμερούς ηλεκτρολύτη στερεάς κατάστασης, γεγονός που έκανε τις μπαταρίες πιο στιβαρές και ελαστικές σε σύγκριση με παλαιότερα χωρίς νανοσύρματα. Αυτή η αύξηση της αγωγιμότητας οφειλόταν στην αύξηση του αριθμού των ιόντων που διέρχονται και κινούνται μέσω του ηλεκτρολύτη και με πολύ ταχύτερο ρυθμό. Ολόκληρη η εγκατάσταση ήταν σαν μια μπαταρία αλλά με πρόσθετα νανοκαλώδια. Αυτό έδειξε υψηλότερο ρυθμό απόδοσης και αυξημένους κύκλους σε σύγκριση με τις κανονικές μπαταρίες. Έγινε επίσης ένα σημαντικό τεστ αναφλεξιμότητας και φάνηκε ότι η μπαταρία δεν κάηκε. Οι ευρέως χρησιμοποιούμενες φορητές εφαρμογές σήμερα, όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι φορητοί υπολογιστές, πρέπει να αναβαθμιστούν με τη μέγιστη και πιο συμπαγή αποθηκευμένη ενέργεια. Αυτό προφανώς αυξάνει τον κίνδυνο βίαιης εκφόρτισης και είναι διαχειρίσιμο για τέτοιες συσκευές λόγω του μικρού μεγέθους των μπαταριών που χρειάζονται. Καθώς όμως σχεδιάζονται και δοκιμάζονται μεγαλύτερες εφαρμογές μπαταριών, η ασφάλεια, η ανθεκτικότητα και η ισχύς αποκτούν ύψιστη σημασία.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Sheng O et al. 2018. Πολυλειτουργικοί ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης με δυνατότητα Mg2B2O5 νανοσύρματος με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και επιβραδυντική φλόγα. Νανο γράμματα. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
