Bateri "kuantike"
Nga 26 shkurt deri më 28 shkurt, Tokio pret një ekspozitë të disqeve, e cila, ndër të tjera, përfaqësohet nga Micronics Japan Co. Ltd. Pak dihet për zhvillimet e saj të mëparshme, por së fundmi ajo njoftoi se kishte zhvilluar dhe përgatitur për prodhimin e një lloji të ri të baterisë me shtresa. Qeliza e vetme që kompania po demonstron është një film gjysmëpërçues i oksidit metalik të tipit n që përdor dioksid titani, dioksidi kallaji dhe grimca oksidi zinku të veshura me një film izolues. Prototipi përdor një fletë çeliku inox prej 10 mikronësh, por së shpejti do të zëvendësohet me alumin.
Zhvilluesit e quajtën baterinë e tyre Quantum për të theksuar natyrën e saj fizike dhe jo kimike. Edhe pse përdor elektrone për të ruajtur energjinë në vend të joneve, kjo bateri është e ndryshme në parim nga kondensatorët. Argumentohet se sistemi bazohet në ruajtjen e elektroneve "në hendekun e brezit" të një gjysmëpërçuesi.
Në prodhimin e strukturave "metal - oksid - gjysmëpërçues", shtresa e ngarkimit të pajisjes së ruajtjes rrezatohet me dritë ultravjollcë. Pas prodhimit, gjatë ngarkimit, elektronet zënë nivele të lira të energjisë në materialin e punës dhe ruhen atje derisa bateria të ketë nevojë të shkarkohet. Rezultati janë bateri të rimbushshme me një densitet shumë të lartë të ruajtjes së energjisë.
Nuk dihet se çfarë kanë mostrat e provës, por zhvilluesi pretendon se mostrat serike që do të shfaqen në të ardhmen e afërt do të kenë një kapacitet deri në 500 Wh/l dhe në të njëjtën kohë do të jenë në gjendje të japin deri në 8000 watts. të fuqisë maksimale për litër vëllim.
Këto disqe kombinojnë veçoritë më të mira të baterive dhe superkondensatorëve. Edhe me një kapacitet të vogël, ata do të jenë në gjendje të japin fuqi maksimale të lartë. Tensioni i hequr nga disqet e tillë nuk ulet ndërsa shkarkohen, por mbetet i qëndrueshëm deri në fund.
Gama e deklaruar e temperaturës së funksionimit është nga -25 në +85 ° C. Bateria mund t'i nënshtrohet 100 mijë cikleve të ngarkimit-shkarkimit derisa kapaciteti të bjerë nën 90% të origjinalit. Aftësia për të tërhequr dhe lëshuar shpejt energji do të zvogëlojë shumë kohën e karikimit. Përveç kësaj, këto bateri janë të papërshkueshme nga zjarri. Materialet e rralla ose të shtrenjta nuk përdoren në prodhimin e tij. Në përgjithësi, ka aq shumë plus saqë as nuk mund ta besoj.
Bateri vetë-karikuese
Një grup studiuesish të udhëhequr nga Zhong Lin Wang nga Instituti i Teknologjisë në Georgia (SHBA) kanë krijuar një bateri vetë-karikuese që nuk kërkon të futet në një prizë për t'u rimbushur.
Pajisja ngarkohet nga ndikimi mekanik, ose më mirë, duke shtypur. Është planifikuar të përdoret në telefonat inteligjentë dhe pajisje të tjera me prekje.
Zhvilluesit e vendosën pajisjen e tyre nën çelësat e kalkulatorit dhe ishin në gjendje të siguronin funksionimin e saj brenda 24 orëve për shkak të energjisë nga shtypja e butonave.
Bateria është një "prirog" e bërë nga poliviniliden fluorid dhe filma zirkonate-titanate-plumb disa qindra mikrometra të trasha. Kur shtypet, jonet e litiumit migrojnë nga katoda në anodë për shkak të efektit piezoelektrik. Për të përmirësuar efikasitetin e prototipit, studiuesit shtuan nano -grimca në materialin e tij piezoelektrik që rrisin efektin përkatës dhe arritën një rritje të konsiderueshme në kapacitetin dhe shpejtësinë e rimbushjes së pajisjes.
Duhet të kuptoni që bateria është e errët, kështu që mund të vendoset vetëm nën butona ose nën ekran.
Bateria nuk ka karakteristika të tilla të jashtëzakonshme si pajisja e përshkruar më parë (tani kapaciteti i një baterie në madhësinë e një "tableti" standard për pllakat amë është rritur nga 0,004 fillestare në 0,010 mAh), por zhvilluesit premtojnë të punojnë më shumë në të efikasiteti. Modelet industriale janë ende shumë larg, megjithëse ekranet fleksibël - pajisjet kryesore në të cilat zhvilluesit planifikojnë të vendosin bateritë e tyre - janë ende të shpërndara dobët. Ka ende kohë për të përfunduar shpikjen tuaj dhe futur atë në prodhim.
Bateria e sheqerit
Duket se vetëm aziatikët po zhvillojnë bateri. Prototipi i një baterie tjetër të pazakontë u krijua në Universitetin Politeknik Amerikan të Virxhinias.
Kjo bateri në thelb funksionon me sheqer, më saktë me maltodextrin, një polisakarid i marrë si rezultat i hidrolizës së niseshtës. Katalizatori në një bateri të tillë është një enzimë. Është shumë më lirë se platini, i cili tani përdoret në bateritë konvencionale. Një bateri e tillë i përket llojit të qelizave të karburantit enzimë. Energjia elektrike prodhohet këtu nga reagimi i oksigjenit, ajrit dhe ujit. Ndryshe nga qelizat e karburantit të hidrogjenit, enzimat janë jo të ndezshme dhe jo shpërthyese. Dhe pasi bateria të mbarojë jetën, sipas zhvilluesve, ajo mund të furnizohet me sheqer.
Dihet pak për karakteristikat teknike të këtij lloji të baterisë. Thuhet vetëm se dendësia e energjisë në to është disa herë më e lartë se në bateritë konvencionale të litium-jonit. Kostoja e baterive të tilla është dukshëm më e ulët se ato konvencionale, kështu që zhvilluesit janë të sigurt se do të gjejnë përdorim komercial në 3 vitet e ardhshme. Le të presim për të premtuarit.
Bateri me strukturë granate
Por shkencëtarët nga Laboratori Kombëtar Amerikan i Përshpejtimit SLAC në Universitetin Stanford vendosën të rrisin vëllimin e baterive konvencionale duke përdorur strukturën e një granate.
Zhvilluesit ulën madhësinë e anodave sa më shumë që të ishte e mundur dhe i vendosën secilën prej tyre në një guaskë karboni. Kjo parandalon shkatërrimin e tyre. Gjatë procesit të karikimit, grimcat zgjerohen dhe kombinohen në grupime, të cilat gjithashtu vendosen në një guaskë karboni. Si rezultat i manipulimeve të tilla, kapaciteti i këtyre baterive është 10 herë më i madh se ai i baterive konvencionale litium-jon.
Eksperimentet tregojnë se pas 1000 cikleve të karikimit / shkarkimit, bateria ruan 97% të kapacitetit të saj origjinal.
Por është shumë herët për të folur për aplikimin komercial të kësaj teknologjie. Nanoprimcat e silikonit janë shumë të shtrenjta për t’u prodhuar dhe procesi i krijimit të baterive të tilla është shumë i komplikuar.
Bateritë atomike
Dhe së fundi, do t'ju tregoj për zhvillimin shkencëtarët britanikë... Ata vendosën të tejkalojnë kolegët e tyre duke krijuar një reaktor miniaturë bërthamor. Një prototip baterie atomike, e krijuar nga studiuesit në Universitetin e Surrey bazuar në tritium, prodhon energji të mjaftueshme për të përdorur një celular për 20 vjet. Vërtetë, nuk do të mund ta rimbushni më vonë.
Në baterinë, e cila është një mikroqark i integruar, ndodh një reagim bërthamor, si rezultat i të cilit gjenerohen 0.8 - 2.4 vat energji. Temperatura e funksionimit të baterisë është midis -50 dhe +150. Në të njëjtën kohë, ajo nuk ka frikë nga ndryshimet e papritura të temperaturës dhe presionit.
Zhvilluesit pretendojnë se tritiumi, i cili përmbahet në bateri, nuk është i rrezikshëm për njerëzit, sepse ka shumë pak përmbajtje atje. Sidoqoftë, është shumë herët të flitet për prodhimin masiv të furnizimeve të tilla me energji - shkencëtarët ende duhet të kryejnë shumë kërkime dhe testime.
konkluzioni
Sigurisht, jo të gjitha teknologjitë e mësipërme do të gjejnë aplikimin e tyre, megjithatë, duhet të kuptohet se në vitet e ardhshme duhet të ndodhë një përparim në teknologjinë e prodhimit të baterive, i cili do të sjellë një rritje në përhapjen e automjeteve elektrike dhe prodhimin të telefonave inteligjentë dhe pajisjeve të tjera elektronike të një lloji të ri.
Në fillim të viteve '90, një hap i madh u bë në teknologjinë e baterive - shpikja e pajisjeve të ruajtjes së energjisë litium -jon. Kjo na lejoi të shohim telefonat inteligjentë dhe madje edhe automjetet elektrike në formën në të cilën ato ekzistojnë tani, por që atëherë asgjë serioze në këtë fushë nuk është shpikur, ky lloj përdoret akoma në elektronikë.
Në një kohë, bateritë Li-jon me kapacitet të shtuar dhe mungesë të "efektit të kujtesës" ishin me të vërtetë një përparim në teknologji, por tani ata nuk mund të përballojnë më ngarkesën e shtuar. Ka gjithnjë e më shumë telefona inteligjentë me veçori të reja, të dobishme që në fund të fundit rrisin ngarkesën në bateri. Në të njëjtën kohë, automjetet elektrike me bateri të tilla janë ende shumë të shtrenjta dhe joefektive.
Në mënyrë që telefonat inteligjentë të punojnë për një kohë të gjatë dhe të mbeten të vegjël në madhësi, nevojiten bateri të reja.
Bateri me elektrodë të lëngshme
Një nga përpjekjet interesante për të zgjidhur problemet e baterive tradicionale është zhvillimi i baterive "rrjedhëse" me elektrolit të lëngët. Parimi i funksionimit të baterive të tilla bazohet në bashkëveprimin e dy lëngjeve të ngarkuar, të drejtuar nga pompat përmes një qelize, ku gjenerohet një rrymë elektrike. Lëngjet në këtë qelizë nuk përzihen, por ndahen nga një membranë përmes së cilës kalojnë grimcat e ngarkuara, ashtu si në një bateri konvencionale.
Bateria mund të ngarkohet në mënyrën e zakonshme, ose të mbushet me një elektrolit të ri, të ngarkuar, në këtë rast, procedura do të zgjasë vetëm disa minuta, si derdhja e benzinës në një rezervuar gazi. Kjo metodë është kryesisht e përshtatshme për një makinë, por gjithashtu e dobishme për elektronikën.
Bateritë e natriumit
Disavantazhet kryesore të baterive litium-jon janë kostoja e lartë e materialeve, një numër relativisht i vogël i cikleve të shkarkimit-ngarkimit dhe rreziku nga zjarri. Prandaj, shkencëtarët janë përpjekur të përmirësojnë këtë teknologji për një kohë të gjatë.
Në Gjermani, tani po punohet për bateritë e natriumit, të cilat duhet të bëhen më të qëndrueshme, më të lira dhe më të mëdha. Elektrodat e baterisë së re do të mblidhen nga shtresa të ndryshme, gjë që lejon që bateria të ngarkohet shpejt. Aktualisht, një kërkim për një model elektrodë më të besueshëm është duke u zhvilluar, pas së cilës do të jetë e mundur të konkludohet nëse kjo teknologji do të hyjë në prodhim, apo ndonjë zhvillim tjetër do të jetë më i mirë.
Bateri me squfur litiumi
Një zhvillim tjetër i ri janë bateritë litium-squfur. Theseshtë planifikuar të përdoret një katodë squfuri në këto bateri, që do të thotë një ulje e ndjeshme e kostos së baterisë. Këto bateri janë tashmë në një gjendje të lartë gatishmërie dhe së shpejti mund të hyjnë në prodhim seri.
Në teori, bateritë litium-squfur mund të arrijnë kapacitete më të larta energjie sesa bateritë litium-jon, të cilat tashmë kanë arritur kufirin e tyre. Veryshtë shumë e rëndësishme që bateritë litium-squfur të mund të shkarkohen plotësisht dhe të ruhen pafundësisht në një gjendje të shkarkuar plotësisht pa efekt kujtese. Squfuri është një produkt dytësor i rafinimit të naftës, bateritë e reja nuk do të përmbajnë metale të rënda (nikel dhe kobalt), përbërja e re e baterive do të jetë më miqësore me mjedisin dhe bateritë do të jenë më të lehta për t'u asgjësuar.
Së shpejti do të bëhet e ditur se cila teknologji do të jetë më premtuese dhe do të zëvendësojë bateritë e vjetruara litium-jon.
Ndërkohë, ju ftojmë të njiheni me profesionin popullor.
Konsumi specifik i energjisë i baterive moderne litium-jon arrin 200 W * orë / kg. Mesatarisht, kjo është e mjaftueshme vetëm për 150 kilometra pa rimbushje, e cila nuk mund të krahasohet me kilometrazhin në një karburant të makinave me një motor konvencional me djegie të brendshme. Që automjetet elektrike të bëhen të zakonshme, ato duhet të kenë largësi të krahasueshme. Për ta bërë këtë, duhet të sillni kapacitetin e energjisë specifike të baterive në të paktën 350-400 W * h / kg. Llojet premtuese të baterive të përshkruara më poshtë do të jenë në gjendje ta sigurojnë atë, megjithëse në secilin rast ka "por".
Bateritë litium-squfur dallohen nga një kapacitet i madh specifik, i cili është pasojë e faktit se në procesin e një reaksioni kimik, çdo molekulë heq jo një, por dy elektrone të lira. Energjia e tyre specifike teorike është 2600 W * h / kg. Për më tepër, bateritë e tilla janë dukshëm më të lira dhe më të sigurta se bateritë litium-jon.
Bateria bazë Li-S përbëhet nga një anodë litiumi, një katodë squfuri karboni dhe një elektrolit përmes të cilit kalojnë jonet e litiumit. Gjatë shkarkimit, ndodh një reaksion kimik, gjatë të cilit litiumi i anodës shndërrohet në sulfid litiumi, i cili depozitohet në katodë. Tensioni i baterisë është midis 1.7 dhe 2.5 V, në varësi të shkarkimit të baterisë. Polisulfidet e litiumit të krijuara gjatë reagimit do të ndikojnë në tensionin e baterisë.
Reagimi kimik në bateri shoqërohet me një numër efektesh anësore negative. Kur squfuri i katodës thith jonet e litiumit nga elektroliti, formohet sulfuri i litiumit Li 2 S, i cili depozitohet në katodë. Në të njëjtën kohë, vëllimi i tij rritet me 76%. Gjatë ngarkimit, ndodh një reagim i kundërt, duke çuar në një rënie në madhësinë e katodës. Si rezultat, katoda përjeton mbingarkesa të konsiderueshme mekanike, duke çuar në dëmtimin e saj dhe humbjen e kontaktit me kolektorin aktual. Përveç kësaj, Li 2 S degradon kontaktin elektrik në katodë midis squfurit dhe karbonit (rruga nëpër të cilën lëvizin elektronet) dhe parandalon rrjedhën e joneve të litiumit në sipërfaqen e squfurit.
Një problem tjetër lidhet me faktin se gjatë reaksionit midis squfurit dhe litiumit, Li 2 S nuk formohet menjëherë, por përmes një sërë transformimesh, gjatë të cilave formohen polisulfide (Li 2 S 8, Li 2 S 6, etj.) . Por nëse squfuri dhe Li 2 S janë të patretshëm në elektrolit, atëherë polisulfidet, përkundrazi, shpërndahen. Kjo çon në një ulje graduale të sasisë së squfurit në katodë. Një shqetësim tjetër është shfaqja e vrazhdësisë në sipërfaqen e anodës së litiumit gjatë kalimit të shkarkimeve të mëdha dhe rrymave të ngarkimit. E gjithë kjo, e marrë së bashku, çoi në faktin se një bateri e tillë mund të përballojë jo më shumë se 50-60 cikle shkarkimi-ngarkimi dhe e bëri atë të papërshtatshëm për përdorim praktik.
Megjithatë, zhvillimet e fundit të amerikanëve nga Laboratori Kombëtar. Lawrence në Berkeley ishte në gjendje të kapërcejë këto mangësi. Ata krijuan një katodë unike të bërë nga një material nanokompozit (grafeni dhe oksidi i squfurit), integriteti i të cilit ruhet duke përdorur një shtresë elastike polimer. Prandaj, një ndryshim në dimensionet e katodës gjatë ngarkimit të shkarkimit nuk çon në shkatërrimin e tij. Një surfaktant (surfaktant) përdoret për të mbrojtur squfurin nga shpërbërja. Meqenëse surfaktanti është kationik (d.m.th. i tërhequr në sipërfaqen e shtresës së squfurit), ai nuk i pengon anionet e litiumit të reagojnë me squfurin, por nuk lejon që polisulfidet e formuara në këtë rast të treten në elektrolit, duke i mbajtur ato nën shtresën e tij. Një elektrolit i ri u zhvillua gjithashtu bazuar në një lëng jonik në të cilin polisulfidet nuk treten. Lëng jonik dhe shumë më i sigurt - nuk digjet dhe vështirë se avullon.
Si rezultat i të gjitha risive të përshkruara, performanca e baterisë është rritur ndjeshëm. Energjia e tij specifike fillestare është 500 W * h / kg, që është më shumë se dyfishi i baterive Li-ion. Pas 1500 cikleve 20-orëshe të shkarkimit-karikimit (C = 0,05), energjia e saj specifike ra në nivelin e një baterie të freskët Li-jon. Pas 1500 cikleve 1-orëshe (C = 1), rënia ishte 40-50%, por bateria ishte akoma funksionale. Kur bateria u testua me fuqi të lartë, duke iu nënshtruar një cikli shkarkimi-ngarkimi 10-minutësh (C = 6), edhe pas 150 cikleve të tilla, energjia e saj specifike tejkaloi atë të një baterie të freskët Li-jon.
Çmimi i vlerësuar i një baterie të tillë Li-S nuk do të kalojë 100 dollarë për secilën kWh kapacitet. Shumë nga risitë e propozuara nga ekipi kërkimor i Berkeley mund të përdoren për të përmirësuar bateritë ekzistuese Li-jon. Për të krijuar një dizajn praktik të baterisë LiS, zhvilluesit po kërkojnë partnerë që do të financojnë zhvillimin përfundimtar të baterisë.
Bateri litium titanate
Problemi më i madh me bateritë moderne litium-jon është efikasiteti i ulët, kryesisht për faktin se materialet e ruajtjes së energjisë marrin vetëm 25% të vëllimit të baterisë. 75% e mbetur janë materiale inerte: strehim, filma përçues, zam, etj. Për shkak të kësaj, bateritë moderne janë shumë të mëdha dhe të shtrenjta. Teknologjia e re përfshin një reduktim të ndjeshëm të materialeve "mbeturina" në hartimin e baterisë.
Bateritë më të reja litium-titanate kanë ndihmuar për të kapërcyer një pengesë tjetër të baterive Li-jon-brishtësia e tyre dhe koha e rimbushjes. Gjatë hulumtimit, u zbulua se kur ngarkohen me rryma të larta, jonet e litiumit detyrohen të "zhyten" midis mikropllakave grafit, duke shkatërruar gradualisht elektrodat. Prandaj, grafiti në elektroda u zëvendësua nga strukturat e nanopartikujve të titanitit të litiumit. Ata nuk ndërhyjnë në lëvizjen e joneve, gjë që përfundimisht çoi në një rritje fantastike të jetës së shërbimit - mbi 15,000 cikle gjatë 12 viteve! Koha e karikimit zvogëlohet nga 6-8 orë në 10-15 minuta. Përparësitë shtesë janë qëndrueshmëria termike dhe më pak toksiciteti.
Ekspertët vlerësojnë se bateritë e reja do të kenë një densitet energjie dy herë më të lartë se bateritë më të mira në dispozicion litium-jon sot. Kështu, me një gamë konstante të makinës elektrike, bateria e saj do të jetë më e lehtë, dhe me të njëjtën peshë, diapazoni do të rritet ndjeshëm. Nëse bateria e re mund të vihet në prodhim, kilometrazhi i automjeteve kompakte elektrike (të cilat nuk mund të pajisen me një bateri të madhe dhe të rëndë) do të rritet mesatarisht nga 150 km në 300 km me një karikim të vetëm. Në të njëjtën kohë, bateritë e reja do të jenë gjysma e çmimit të atyre aktuale - vetëm 250 dollarë për kW / orë.
Bateritë e ajrit të litiumit
Teknologjia nuk po qëndron ende, dhe shkencëtarët tashmë po punojnë për të krijuar një dizajn praktik për një bateri litium-ajër (LiO 2). Kapaciteti i tij teorik i energjisë është 8-10 herë më i lartë se ai i litium-jonit. Për të zvogëluar peshën e baterisë, duke ruajtur, apo edhe rritur kapacitetin e saj, shkencëtarët kanë propozuar një zgjidhje radikale - refuzimin e katodës tradicionale: litiumi do të ndërveprojë drejtpërdrejt me oksigjenin nga ajri. Falë katodës katalitike të ajrit, pritet që jo vetëm të rritet kapaciteti energjetik i baterisë, por edhe të zvogëlohet vëllimi dhe pesha e tij me pothuajse të njëjtën sasi.
Për prodhimin masiv, teknologjia litium-ajër kërkon zgjidhjen e shumë problemeve teknike dhe shkencore, duke përfshirë krijimin e një katalizatori efektiv, një anodë litiumi dhe një elektrolit të ngurtë të qëndrueshëm të aftë për të punuar në temperatura të ulëta (deri në -50C). Për më tepër, është e nevojshme të zhvillohet një teknikë për aplikimin e një katalizatori në sipërfaqen e katodës, të krijohet një membranë që do të parandalonte depërtimin e oksigjenit në anodën e litiumit, dhe gjithashtu të zhvillohen metoda për prodhimin e elektrodave speciale poroze.
Imagjinoni një celular që mban një karikim për më shumë se një javë dhe pastaj karikohet në 15 minuta. Fantastike? Por mund të bëhet realitet falë një studimi të ri nga shkencëtarët në Universitetin Northwestern (Evanston, Illinois, SHBA). Një ekip inxhinierësh zhvilluan një elektrodë për bateri litium-jon të rimbushshme (të cilat përdoren në shumicën e celularëve sot), gjë që rriti kapacitetin e tyre të energjisë me 10 herë. Surprizat e këndshme nuk janë të kufizuara në këtë - pajisjet e reja të baterisë janë në gjendje të ngarkojnë 10 herë më shpejt se ato aktuale.
Për të kapërcyer kufizimet e vendosura nga teknologjitë ekzistuese në kapacitetin e energjisë dhe shkallën e ngarkimit të baterisë, shkencëtarët kanë aplikuar dy qasje të ndryshme të inxhinierisë kimike. Bateria që rezulton jo vetëm që do të zgjasë kohën e funksionimit të pajisjeve të vogla elektronike (si telefonat dhe laptopët), por gjithashtu do të hapë rrugën për zhvillimin e baterive më efikase dhe kompakte për automjetet elektrike.
"Ne kemi gjetur një mënyrë për të zgjatur kohën e mbajtjes së baterisë së re litium-jon me 10 herë," tha profesori Harold H. Kung, një nga autorët kryesorë të studimit. “Edhe pas 150 seancave të ngarkimit/shkarkimit, që do të thotë të paktën një vit funksionimi, ai mbetet pesë herë më efikas se bateritë litium-jon në treg sot”.
Funksionimi i një baterie joni litiumi bazohet në një reaksion kimik në të cilin jonet e litiumit lëvizin midis një anode dhe një katode të vendosur në skajet e kundërta të baterisë. Gjatë funksionimit të baterisë, jonet e litiumit migrojnë nga anoda përmes elektrolitit në katodë. Gjatë karikimit, drejtimi i tyre është i kundërt. Aktualisht bateritë ekzistuese kanë dy kufizime të rëndësishme. Kapaciteti i tyre energjetik - domethënë koha që një bateri mund të mbajë një ngarkesë - është e kufizuar nga dendësia e ngarkesës, ose sa jone litium mund të vendosen në anodë ose katodë. Në të njëjtën kohë, shkalla e ngarkimit të një baterie të tillë është e kufizuar nga shkalla në të cilën jonet e litiumit janë në gjendje të lëvizin përmes elektrolitit në anodë.
Në bateritë aktuale të rimbushshme, një anodë e përbërë nga shumë fletë grafeni mund të ketë vetëm një atom litium për çdo gjashtë atome karboni (nga të cilat grafeni është i përbërë). Në përpjekje për të rritur kapacitetin energjetik të baterive, shkencëtarët tashmë kanë eksperimentuar me zëvendësimin e karbonit me silikon, i cili mund të mbajë shumë më shumë litium: katër atome litiumi për secilin atom silikoni. Megjithatë, gjatë karikimit, silikoni zgjerohet dhe tkurret ndjeshëm, gjë që shkakton fragmentimin e substancës së anodës dhe, si rezultat, një humbje të shpejtë të kapacitetit të karikimit të baterisë.
Aktualisht, shkalla e ulët e ngarkimit të baterisë shpjegohet me formën e fletëve të grafenit: në krahasim me trashësinë (që përbën vetëm një atom), gjatësia e tyre rezulton të jetë jashtëzakonisht e madhe. Gjatë karikimit, joni i litiumit duhet të udhëtojë në skajet e jashtme të fletëve të grafenit, dhe më pas të kalojë midis tyre dhe të ndalojë diku brenda. Meqenëse kërkon shumë kohë që litiumi të arrijë në mes të një fletë grafeni, diçka si një bllokim jonik vërehet në skajet.
Siç u tha, ekipi kërkimor i Kuong i ka zgjidhur të dyja këto probleme duke adoptuar dy teknologji të ndryshme. Së pari, për të siguruar qëndrueshmërinë e silikonit dhe për të ruajtur kështu kapacitetin maksimal të karikimit të baterisë, ata vendosën grupe silikoni midis fletëve të grafenit. Kjo bëri të mundur rritjen e numrit të joneve të litiumit në elektrodë, duke përdorur njëkohësisht fleksibilitetin e fletëve të grafenit për të llogaritur ndryshimet në vëllimin e silikonit gjatë ngarkimit / shkarkimit të baterisë.
"Tani ne po i vrasim të dy zogjtë me një gur," thotë Kung. "Falë silikonit, ne kemi një densitet më të lartë të energjisë dhe ndërlidhja e shtresave zvogëlon humbjen e energjisë të shkaktuar nga zgjerimi dhe tkurrja e silikonit. Edhe me shkatërrimin e grupimeve të silikonit, vetë silikoni nuk do të shkojë askund tjetër.
Përveç kësaj, studiuesit përdorën procesin e oksidimit kimik për të krijuar vrima në miniaturë (10-20 nanometra) në fletët e grafenit ("defekte në plan"), të cilat sigurojnë jonet e litiumit me "qasje të shpejtë" në brendësi të anodës, dhe pastaj ruajtja në të si rezultat i reagimit me silikon. Kjo ka zvogëluar kohën e kërkuar për të ngarkuar baterinë me një faktor 10.
Deri më tani, të gjitha përpjekjet për të optimizuar performancën e baterisë janë fokusuar në një nga komponentët e tyre - anodën. Në fazën tjetër të kërkimit, shkencëtarët planifikojnë të studiojnë ndryshimet në katodë për të njëjtin qëllim. Përveç kësaj, ata duan të modifikojnë sistemin e elektrolitit në mënyrë që bateria të mbyllet automatikisht (dhe në mënyrë të kthyeshme) në temperatura të larta - një mekanizëm i ngjashëm mbrojtës mund të jetë i dobishëm kur përdoren bateritë në automjetet elektrike.
Sipas zhvilluesve, në formën e saj aktuale, teknologjia e re duhet të hyjë në treg brenda tre deri në pesë vitet e ardhshme. Një artikull mbi rezultatet e kërkimit dhe zhvillimit të baterive të reja të ruajtjes u botua në revistën "Advanced Energy Materials".
Çdo vit, numri i pajisjeve në botë që ushqehen me bateri të rikarikueshme po rritet vazhdimisht. Nuk është sekret që bateritë janë lidhja më e dobët në pajisjet moderne. Ata duhet të rimbushen rregullisht, ata nuk kanë një kapacitet kaq të madh. Bateritë ekzistuese të rimbushshme vështirë se ju lejojnë të arrini funksionimin autonom të një tableti ose kompjuteri celular për disa ditë.
Prandaj, prodhuesit e automjeteve elektrike, tabletëve dhe telefonave inteligjentë sot po kërkojnë mënyra për të ruajtur sasi të konsiderueshme të energjisë në vëllime më kompakte të vetë baterisë. Megjithë kërkesat e ndryshme për bateritë për automjetet elektrike dhe pajisjet mobile, paralelet mund të tërhiqen lehtësisht midis të dyjave. Në veçanti, makina e famshme elektrike Tesla Roadster mundësohet nga një bateri litium-jon e zhvilluar posaçërisht për laptopët. Vërtetë, për të siguruar energji elektrike në një makinë sportive, inxhinierët duhej të përdornin më shumë se gjashtë mijë nga këto bateri në të njëjtën kohë.
Pavarësisht nëse është një automjet elektrik ose një pajisje celulare, kërkesat universale për baterinë e së ardhmes janë të qarta - ajo duhet të jetë më e vogël, më e lehtë dhe të ruajë ndjeshëm më shumë energji. Cilat zhvillime premtuese në këtë fushë mund t'i plotësojnë këto kërkesa?
Bateritë litium-jon dhe litium polimer
Bateria Li-ion e kamerës
Sot, bateritë litium-jon dhe litium-polimer përdoren më gjerësisht në pajisjet mobile. Sa i përket baterive litium-jon (Li-Ion), ato janë prodhuar që nga fillimi i viteve '90. Avantazhi i tyre kryesor është një densitet mjaft i lartë i energjisë, domethënë aftësia për të ruajtur një sasi të caktuar energjie për njësi të masës. Për më tepër, bateri të tilla nuk kanë "efektin e kujtesës" famëkeq dhe kanë një vetë-shkarkim relativisht të ulët.
Përdorimi i litiumit është mjaft i justifikuar, sepse ky element ka një potencial të lartë elektrokimik. Disavantazhi i të gjitha baterive litium-jon, nga të cilat ka një numër të madh të llojeve, është plakja mjaft e shpejtë e baterisë, domethënë një rënie e mprehtë e performancës gjatë ruajtjes ose përdorimit afatgjatë të baterisë. Për më tepër, potenciali i kapacitetit të baterive moderne litium-jon duket se është pothuajse i shteruar.
Zhvillime të mëtejshme në teknologjinë litium-jon janë burimet e energjisë litium-polimer (Li-Pol). Ata përdorin një material të ngurtë në vend të një elektroliti të lëngshëm. Krahasuar me paraardhësit e tij, bateritë e polimerit të litiumit kanë një densitet më të lartë energjie. Për më tepër, tani ishte e mundur të prodhoheshin bateri pothuajse në çdo formë (teknologjia e litium-jonit kërkonte vetëm një kuti cilindrike ose drejtkëndore). Bateri të tilla janë të vogla në madhësi, gjë që lejon që ato të përdoren me sukses në pajisje të ndryshme mobile.
Sidoqoftë, shfaqja e baterive litium-polimer nuk e ndryshoi rrënjësisht situatën, veçanërisht, sepse bateritë e tilla nuk janë në gjendje të japin rryma të mëdha shkarkimi dhe kapaciteti i tyre specifik është ende i pamjaftueshëm për të shpëtuar njerëzimin nga nevoja për të rimbushur vazhdimisht pajisjet mobile. Plus, bateritë litium-polimer janë mjaft "kapriçioze" në funksionim, ato nuk kanë forcë të mjaftueshme dhe një tendencë për të marrë zjarr.
Teknologjitë e avancuara
Vitet e fundit, shkencëtarët dhe studiuesit në vende të ndryshme kanë punuar në mënyrë aktive për të krijuar teknologji më të përparuara të baterive që mund të zëvendësojnë ato ekzistuese në të ardhmen e afërt. Në këtë drejtim, disa nga fushat më premtuese mund të identifikohen:
- Bateri me squfur litiumi (Li-S)
Bateria litium-squfur është një teknologji premtuese, kapaciteti energjetik i një baterie të tillë është dy herë më i lartë se ai i baterive litium-jon. Por në teori mund të jetë edhe më i lartë. Në një burim të tillë energjie, përdoret një katodë e lëngshme me përmbajtje squfuri, ndërsa ndahet nga elektroliti me një membranë të veçantë. Për shkak të bashkëveprimit të anodës së litiumit dhe katodës që përmban squfur, kapaciteti specifik është rritur ndjeshëm. Mostra e parë e një baterie të tillë u shfaq përsëri në 2004. Që atëherë, është bërë njëfarë përparimi, falë të cilit bateria e përmirësuar e litium-squfurit është në gjendje të përballojë një mijë e gjysmë cikle të plota ngarkimi-shkarkimi pa humbje serioze në kapacitet.
Përparësitë e kësaj baterie përfshijnë gjithashtu mundësinë e përdorimit në një gamë të gjerë temperaturash, pa nevojën e përdorimit të komponentëve mbrojtës të përforcuar dhe një kosto relativisht të ulët. Një fakt interesant - ishte falë përdorimit të një baterie të tillë që në vitin 2008 u vendos rekordi për kohëzgjatjen e fluturimit në një aeroplan të mundësuar nga bateritë diellore. Por për prodhimin masiv të një baterie litium-squfuri, shkencëtarët duhet të zgjidhin ende dy probleme kryesore. Kërkohet të gjendet një mënyrë efektive për përdorimin e squfurit, si dhe të sigurohet funksionimi i qëndrueshëm i burimit të energjisë në kushtet e ndryshimit të kushteve të temperaturës ose lagështisë.
- Bateri magnez-squfur (Mg / S)
Bateritë e bazuara në një kombinim të magnezit dhe squfurit gjithashtu mund të anashkalojnë bateritë tradicionale të litiumit. Vërtetë, deri vonë, askush nuk mund të siguronte bashkëveprimin e këtyre elementëve në një qelizë. Vetë bateria e magnezit-squfurit duket shumë interesante, sepse dendësia e saj e energjisë mund të shkojë deri në më shumë se 4000 Wh / l. Jo shumë kohë më parë, falë studiuesve amerikanë, me sa duket, ishte e mundur të zgjidhej problemi kryesor me të cilin përballet zhvillimi i baterive të magnezit-squfurit. Fakti është se për çiftin e magnezit dhe squfurit nuk kishte elektrolit të përshtatshëm të pajtueshëm me këto elementë kimikë.
Sidoqoftë, shkencëtarët ishin në gjendje të krijonin një elektrolit kaq të pranueshëm për shkak të formimit të grimcave të veçanta kristalore që sigurojnë stabilizimin e elektrolitit. Një mostër e një baterie magnez-squfuri përfshin një anodë magnezi, një ndarës, një katodë squfuri dhe një elektrolit të ri. Megjithatë, ky është vetëm hapi i parë. Një mostër premtuese, për fat të keq, nuk është ende e qëndrueshme.
- Bateri jonike fluori
Një burim tjetër interesant i energjisë që është shfaqur vitet e fundit. Këtu, anionet e fluorit janë përgjegjës për transferimin e ngarkesës midis elektrodave. Në këtë rast, anoda dhe katoda përmbajnë metale që shndërrohen (në përputhje me drejtimin e rrymës) në fluoride, ose reduktohen prapa. Kjo siguron një kapacitet të konsiderueshëm të baterisë. Shkencëtarët pohojnë se burime të tilla të energjisë kanë një densitet energjie që është dhjetëra herë më i madh se aftësitë e baterive litium-jon. Përveç kapacitetit të tyre të konsiderueshëm, bateritë e reja kanë gjithashtu një rrezik dukshëm më të ulët zjarri.
Shumë opsione u provuan për rolin e bazës së një elektroliti të ngurtë, por zgjedhja përfundimisht u vendos në barium lanthanum. Ndërsa teknologjia e joneve të fluorit duket të jetë një zgjidhje shumë premtuese, ajo nuk është pa të meta. Në fund të fundit, një elektrolit i fortë mund të funksionojë në mënyrë të qëndrueshme vetëm në temperatura të larta. Prandaj, studiuesit përballen me detyrën për të gjetur një elektrolit të lëngshëm që mund të funksionojë me sukses në temperaturën e zakonshme të dhomës.
- Bateritë litium-ajër (Li-O2)
Në ditët e sotme, njerëzimi po përpiqet për përdorimin e burimeve të energjisë "më të pastra" që lidhen me prodhimin e energjisë nga dielli, era ose uji. Në këtë drejtim, bateritë litium-ajër duket se janë shumë interesante. Para së gjithash, ato konsiderohen nga shumë ekspertë si e ardhmja e automjeteve elektrike, por me kalimin e kohës ato mund të gjejnë aplikim në pajisjet mobile. Këto furnizime me energji elektrike kanë kapacitete shumë të larta dhe janë relativisht të vogla në madhësi. Parimi i punës së tyre është si më poshtë: në vend të oksideve të metaleve, karboni përdoret në elektrodën pozitive, e cila hyn në një reaksion kimik me ajrin, si rezultat i së cilës krijohet një rrymë. Kjo do të thotë, oksigjeni përdoret pjesërisht për të gjeneruar energji.
Përdorimi i oksigjenit si një material aktiv i katodës ka përparësitë e tij të rëndësishme, sepse është një element pothuajse i pashtershëm, dhe më e rëndësishmja, është marrë nga mjedisi absolutisht falas. Besohet se dendësia e energjisë e baterive litium-ajër mund të arrijë një mbresëlënëse 10,000 Wh / kg. Ndoshta, në të ardhmen e afërt, bateri të tilla do të jenë në gjendje t'i vendosin makinat elektrike në të njëjtin nivel me makinat me benzinë. Nga rruga, bateritë e këtij lloji, të lëshuara për pajisjet mobile, tashmë mund të gjenden në shitje me emrin PolyPlus.
- Bateri litium nanofosfat
Furnizimet me energji të nanofosfatit të litiumit janë gjenerata e ardhshme e baterive me jon litium që paraqesin efikasitet të lartë të rrymës dhe karikim ultra të shpejtë. Duhen vetëm pesëmbëdhjetë minuta për të ngarkuar plotësisht një bateri të tillë. Ato gjithashtu lejojnë dhjetë herë ciklet e ngarkimit në krahasim me qelizat standarde të litium-jonit. Këto karakteristika u arritën nëpërmjet përdorimit të nanogrimcave speciale të afta për të siguruar një fluks më intensiv të joneve.
Përparësitë e baterive litium-nanofosfat përfshijnë gjithashtu vetë-shkarkim të ulët, asnjë "efekt kujtese" dhe aftësinë për të punuar në një gamë të gjerë të temperaturës. Bateritë me nanofosfat litium janë tashmë të disponueshme në treg dhe përdoren për disa lloje pajisjesh, por përhapja e tyre pengohet nga nevoja për një karikues të veçantë dhe një peshë më të madhe në krahasim me bateritë moderne litium-jon ose litium-polimer.
Në fakt, ka shumë teknologji më premtuese në fushën e krijimit të baterive të rikarikueshme. Shkencëtarët dhe studiuesit po punojnë jo vetëm për të krijuar zgjidhje thelbësisht të reja, por edhe për të përmirësuar performancën e baterive ekzistuese litium-jon. Për shembull, përmes përdorimit të nanovelave të silikonit ose zhvillimit të një elektrode të re me një aftësi unike për të "shëruar veten". Në çdo rast, dita nuk është larg kur telefonat tanë dhe pajisjet e tjera mobile do të jetojnë për javë të tëra me një karikim të vetëm.