Vezměme si úplně první aktuální zdroj vynalezený Voltou a nesoucí jméno Galvani.

Zdrojem proudu v jakékoli baterii může být pouze redoxní reakce. Ve skutečnosti se jedná o dvě reakce: atom se oxiduje, když ztratí elektron. Získání elektronu se nazývá obnova. To znamená, že redoxní reakce probíhá ve dvou bodech: odkud a kam proudí elektrony.

Dva kovy (elektrody) jsou ponořeny do vodného roztoku jejich solí kyseliny sírové. Kov jedné elektrody se oxiduje a druhá redukuje. Důvodem reakce je, že prvky jedné elektrody přitahují elektrony silněji než prvky druhé. V páru kovových elektrod Zn - Cu má ion mědi (ne neutrální sloučenina) větší schopnost přitahovat elektrony, proto, když je příležitost, elektron předá silnějšímu hostiteli a zinkový iont je vytržen roztokem kyseliny do elektrolytu (nějaká iontově vodivá látka). Přenos elektronů se provádí podél vodiče přes vnější elektrickou síť. Souběžně s pohybem záporného náboje v opačném směru se elektrolytem pohybují kladně nabité ionty (anionty) (viz video)

Ve všech CHIT předcházejících Lithium-iontově je elektrolyt aktivním účastníkem probíhajících reakcí
viz princip fungování olověné baterie

Galvaniho chyba

Elektrolyt je také vodičem proudu, pouze druhého druhu, ve kterém pohyb náboje provádějí ionty. Lidské tělo je právě takovým vodičem a svaly se díky pohybu aniontů a kationtů stahují.
L. Galvani tedy náhodně spojil dvě elektrody přes přírodní elektrolyt – vypreparovanou žábu.

Charakteristika HIT

Kapacita - počet elektronů (elektronický náboj), které mohou projít připojeným zařízením až do úplného vybití baterie [Q] popř.
Kapacita celé baterie je tvořena kapacitami katody a anody: kolik elektronů je anoda schopna odevzdat a kolik elektronů je schopna katoda přijmout. Limitující bude samozřejmě menší z obou kapacit.

Rozdíl napětí - potenciál. energetická charakteristika, která ukazuje, jakou energii uvolňuje jednotkový náboj při pohybu od anody ke katodě.

Energie je práce, kterou lze na daném HIT vykonat až do jeho úplného vybití [J] popř
Výkon – míra výdeje energie nebo práce za jednotku času
Trvanlivost popř Coulombova účinnost- jaké procento kapacity je nenávratně ztraceno během cyklu nabíjení-vybíjení.

Všechny charakteristiky jsou předpovězeny teoreticky, nicméně kvůli mnoha faktorům, které je obtížné vzít v úvahu, je většina charakteristik zpřesňována experimentálně. Takže je lze všechny předvídat pro ideální případ na základě chemie, ale makrostruktura má obrovský dopad jak na kapacitu, tak na výkon a životnost.

Trvanlivost a kapacita tedy do značné míry závisí jak na rychlosti nabíjení/vybíjení, tak na makrostruktuře elektrody.
Baterie se proto vyznačuje ne jedním parametrem, ale celou sadou pro různé režimy. Například napětí baterie (energie přenosu nabití jednotky**) lze odhadnout jako první přiblížení (ve fázi materiálové perspektivy) z hodnot ionizační energie atomů aktivních látek při oxidaci a redukci. Ale skutečná hodnota je rozdíl v chem. potenciálů, pro jejichž měření, stejně jako pro měření nabíjecích/vybíjecích křivek, je sestaven testovací článek s testovací elektrodou a referenční elektrodou.

Na bázi elektrolytů vodní roztoky pomocí standardní vodíkové elektrody. Pro Lithium-Ion - kovové lithium.

*Ionizační energie je energie, která musí být předána elektronu, aby se přerušila vazba mezi ním a atomem. To znamená, že vzato s opačným znaménkem představuje energii vazby a systém se vždy snaží energii vazby minimalizovat
** Jeden přenos energie - přenos energie jednoho elementárního náboje 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] nebo 1eV (elektronvolt)

Li-ion baterie

<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
Jak již bylo uvedeno, v lithium-iontových bateriích se elektrolyt přímo neúčastní reakce. Kde probíhají dvě hlavní reakce: oxidace a redukce a jak se vyrovnává nábojová bilance?
Přímo k těmto reakcím dochází mezi lithiem v anodě a atomem kovu v katodové struktuře. Jak bylo uvedeno výše, vzhled lithium-iontových baterií není jen objevem nových spojení pro elektrody, je to objev nového principu fungování CIT:
Elektron slabě vázaný na anodu uniká po vnějším vodiči ke katodě.
V katodě elektron dopadá na oběžnou dráhu kovu a kompenzuje 4. elektron, který je z něj prakticky odebrán kyslíkem. Nyní se kovový elektron konečně spojí s kyslíkem a výsledné elektrické pole vtáhne ionty lithia do mezery mezi kyslíkovými vrstvami. Obrovské energie lithium-iontových baterií je tedy dosaženo tím, že se nezabývá obnovou externích 1,2 elektronů, ale obnovou více „hlubších“. Například pro cobolt, 4. elektron.
Lithné ionty jsou zadržovány v katodě díky slabé, asi 10 kJ/mol, interakce (van der Waals) s elektronovými mračny atomů kyslíku, které je obklopují (červená)

Li je třetím prvkem v , má nízkou atomovou hmotnost a malou velikost. Vzhledem k tomu, že lithium začíná a navíc teprve druhá řada, je velikost neutrálního atomu poměrně velká, zatímco velikost iontu je velmi malá, menší než velikosti atomů helia a vodíku, takže je prakticky nepostradatelné ve schématu LIB. další důsledek výše uvedeného: vnější elektron (2s1) má zanedbatelnou vazbu s jádrem a může se snadno ztratit (to je vyjádřeno tím, že lithium má nejnižší potenciál vzhledem k vodíkové elektrodě P=-3,04V).

Hlavní součásti LIB

Elektrolyt

Na rozdíl od tradičních baterií se elektrolyt spolu se separátorem přímo nepodílí na reakci, ale zajišťuje pouze transport iontů lithia a neumožňuje transport elektronů.
Požadavky na elektrolyt:
- dobrá iontová vodivost
- nízká elektronika
- nízké náklady
- lehká váha
- netoxicita
- SCHOPNOST PRÁCE V NASTAVENÉM ROZSAHU NAPĚTÍ A TEPLOTY
- zabránit strukturálním změnám elektrod (zabránit poklesu kapacity)
V této recenzi vám dovolím obejít téma elektrolytů, které je sice technicky složité, ale pro naše téma ne tak důležité. Roztok LiFP 6 se používá hlavně jako elektrolyt
Ačkoli se věří, že elektrolyt se separátorem je absolutním izolantem, ve skutečnosti tomu tak není:
V lithiových iontových článcích dochází k jevu samovybíjení. těch. iont lithia s elektrony se dostane ke katodě přes elektrolyt. Proto je nutné baterii pro případ dlouhodobého skladování udržovat částečně nabitou.
Při dlouhých přerušeních provozu také dochází k fenoménu stárnutí, kdy jsou oddělené skupiny odděleny od rovnoměrně nasyceného lithného iontu, což narušuje rovnoměrnost koncentrace a tím snižuje celkovou kapacitu. Při nákupu baterie si proto musíte ověřit datum vydání

Anody

Anody jsou elektrody, které mají slabou vazbu, a to jak s „hostujícím“ lithiovým iontem, tak s odpovídajícím elektronem. V současné době probíhá boom ve vývoji různých anodových řešení pro lithium-iontové baterie.
požadavky na anody

• Vysoká elektronická a iontová vodivost (rychlé zabudování/extrakce lithia)
• Nízké napětí s testovací elektrodou (Li)
• Velká specifická kapacita
• Vysoká stabilita anodové struktury během vkládání a extrakce lithia, která je zodpovědná za Coulomb

Metody vylepšení:

• Změňte makrostrukturu struktury látky anody
• Snižte poréznost látky
• Vyberte nový materiál.
• Používejte smíšené materiály
• Zlepšit vlastnosti fázové hranice s elektrolytem.

Obecně lze anody LIB rozdělit do 3 skupin podle způsobu umístění lithia ve své struktuře:

Anody jsou hostitelé. Grafit

Téměř každý si ze střední školy pamatuje, že uhlík existuje v pevné formě ve dvou základních strukturách – grafitu a diamantu. Rozdíl ve vlastnostech těchto dvou materiálů je markantní: jeden je průhledný, druhý ne. Jeden izolant je další vodič, jeden řeže sklo, druhý se otírá o papír. Důvodem je odlišný charakter meziatomových interakcí.
Diamant je krystalová struktura, kde se díky hybridizaci sp3 tvoří meziatomové vazby, to znamená, že všechny vazby jsou stejné - všechny tři 4 elektrony tvoří σ-vazby s dalším atomem.
Grafit vzniká hybridizací sp2, která určuje vrstvenou strukturu a slabou vazbu mezi vrstvami. Přítomnost „plovoucí“ kovalentní π-vazby dělá z grafitového uhlíku vynikající vodič
Grafit je první a dnes hlavní anodový materiál, který má mnoho výhod.
Vysoká elektronická vodivost
Vysoká iontová vodivost
Malé objemové deformace při zavádění atomů lithia
Nízké náklady
První grafit jako anodový materiál byl navržen již v roce 1982 S.Basu a zaveden do lithium-iontového článku v roce 1985 A. Yoshino
Nejprve byl v elektrodě použit grafit v přirozené formě a její kapacita dosahovala pouze 200 mAh/g. Hlavním zdrojem pro zvýšení kapacity bylo zlepšení kvality grafitu (zlepšení struktury a čištění od nečistot). Faktem je, že vlastnosti grafitu se výrazně liší v závislosti na jeho makrostruktuře a přítomnost mnoha anizotropních zrn ve struktuře, různě orientovaných, výrazně zhoršuje difúzní vlastnosti látky. Inženýři se snažili zvýšit stupeň grafitizace, ale její zvýšení vedlo k rozkladu elektrolytu. Prvním řešením bylo použití drceného nízko grafitizovaného uhlíku smíchaného s elektrolytem, ​​čímž se zvýšila anodová kapacita na 280mAh/g (technologie je stále široce používána), což bylo překonáno v roce 1998 zavedením speciálních přísad do elektrolytu, které vytvářejí ochrannou vrstva na prvním cyklu (dále jen SEI rozhraní pevného elektrolytu), která zabraňuje dalšímu rozkladu elektrolytu a umožňuje použití umělého grafitu 320 mAh/g. Kapacita grafitové anody nyní dosáhla 360 mAh/g a kapacita celé elektrody je 345mAh/ga ​​476 Ah/l

Reakce: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

Struktura grafitu je schopna přijmout maximálně 1 atom Li na 6 C, proto je maximální dosažitelná kapacita 372 mAh/g (nejedná se ani tak o teoretický údaj jako o běžně používaný údaj, neboť zde je nejvzácnější případ, kdy něco skutečného přesahuje teoretické, protože v praxi mohou být ionty lithia umístěny nejen uvnitř článků, ale také na zlomech grafitových zrn)
Od roku 1991 grafitová elektroda prošla mnoha změnami a zdá se, že v některých charakteristikách jako nezávislý materiál dosáhl svého stropu. Hlavním polem pro zlepšení je zvýšení výkonu, tzn. Rychlost vybíjení/nabíjení baterie. Úkolem zvýšení výkonu je současně i zvýšení životnosti, protože rychlé vybíjení/nabíjení anody vede k destrukci grafitové struktury ionty lithia, které jsou skrz ni „protaženy“. Kromě standardních technik pro zvýšení výkonu, které se obvykle týkají zvýšení poměru povrch/objem, je nutné poznamenat studium difúzních vlastností monokrystalu grafitu v různých směrech krystalové mřížky, které ukazuje, že rychlost difúze lithia se může lišit o 10 řádů.

K.S. Novoselov a A.K. Geim - laureáti Nobelovy ceny za fyziku za rok 2010 Průkopníci nezávislého použití grafenu
Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125
Asahi Chemical Ind. Japonský patent 1989293
Ube Industries Ltd. US Patent 6,033,809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa a Ralph J. Brodd. Věda a technologie lithium-iontových baterií Springer 2009.
Difúze lithia v grafitovém uhlíku Kristin Persson at.al. Phys. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
Strukturální a elektronické vlastnosti lithiového interkalovaného grafitu LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Recenze 2003.
Aktivní materiál pro zápornou elektrodu používanou v lithium-iontové baterii a způsob její výroby. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923.908 2003
Vliv hustoty elektrody na výkon cyklu a nevratnou ztrátu kapacity pro anodu z přírodního grafitu v lithium-iontových bateriích. Joongpyo Shim a Kathryn A. Striebel

Anody Tin and Co. Slitiny

K dnešnímu dni jsou jedny z nejslibnějších anody z prvků 14. skupiny periodické tabulky. Již před 30 lety byla dobře prostudována schopnost cínu (Sn) tvořit slitiny (intersticiální roztoky) s lithiem. Až v roce 1995 Fuji oznámila anodový materiál na bázi cínu (viz např.
Bylo logické očekávat, že lehčí prvky stejné skupiny budou mít stejné vlastnosti, a skutečně křemík (Si) a germanium (Ge) vykazují identický vzorec přijímání lithia.
Li22Sn5, Li22Ge5, Li15Si4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Hlavním a obecným problémem při použití této skupiny materiálů jsou obrovské, od 357 % do 400 %, objemové deformace při nasycení lithiem (během nabíjení), vedoucí k velkým ztrátám kapacity v důsledku ztráty kontaktu s proudem. kolektoru částí materiálu anody.

Snad nejpropracovanějším prvkem této skupiny je cín:
protože je nejtěžší, poskytuje těžší řešení: maximální teoretická kapacita takové anody je 960 mAh/g, ale kompaktní (7000 Ah/l -1960 Ah/l* ) přesto překonává tradiční uhlíkové anody 3 a 8 (2,7* ) krát , resp.
Nejslibnější jsou anody na bázi křemíku, které jsou teoreticky (4200 mAh/g ~3590mAh/g) více než 10krát lehčí a 11 (3,14*) krát kompaktnější (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) než grafit anody.
Si nemá dostatečnou elektronickou a iontovou vodivost, proto je nutné hledat další prostředky pro zvýšení výkonu anody.
Ge , germanium se nezmiňuje tak často jako Sn a Si, ale jako střední má velkou kapacitu (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / l) a 400krát vyšší iontovou vodivost než Si, což může převážit jeho vysokou cenu. vytváření výkonné elektrotechniky

Spolu s velkými objemovými deformacemi existuje další problém:
ztráta kapacity v prvním cyklu v důsledku nevratné reakce lithia s oxidy

SnOx +x2Li + -->xLi 2 O+Sn
xLi 2 O+Sn+yLi+<-->xLi 2 O+Li y Sn

Které jsou tím větší, čím větší je kontakt elektrody se vzduchem (čím větší je povrch, tedy jemnější struktura)
Bylo vyvinuto mnoho schémat, která umožňují v té či oné míře využít velký potenciál těchto sloučenin a vyrovnat nevýhody. Nicméně, stejně jako výhody:
Všechny tyto materiály se v současnosti používají v anodách kombinovaných s grafitem, čímž se jejich vlastnosti zvyšují o 20-30 %.

* hodnoty jsou označeny, opraveno autorem, jelikož běžné údaje nezohledňují výrazné zvýšení objemu a operují s hodnotou hustoty účinné látky (před nasycením lithiem), a proto neodrážejí skutečný stav věcí vůbec

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
Patentová přihláška USA 20080003502.
Chemie a struktura Sony Nexelion
Materiály Li-ion elektrod
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read a D. Foster
Armádní výzkumná laboratoř 2006.

Elektrody pro Li-Ion baterie – nový způsob, jak se podívat na starý problém
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

Stávající vývoj

Všechna existující řešení problému velkých deformací anody vycházejí z jediné úvahy: během expanze je příčinou mechanického namáhání monolitická povaha systému: rozbít monolitickou elektrodu na mnoho možných menších struktur, což jim umožňuje expandovat nezávisle na každém z nich. jiný.
První, nejzřejmější, metoda je prosté mletí látky pomocí nějakého držáku, který zabraňuje slučování částic do větších, a také sycení výsledné směsi elektronově vodivými činidly. Podobné řešení by se dalo vysledovat ve vývoji grafitových elektrod. Tato metoda umožnila dosáhnout určitého pokroku ve zvyšování kapacity anod, ale přesto až do úplného odhalení potenciálu uvažovaných materiálů zvýšením kapacity (objemu i hmotnosti) anody o ~ 10- 30 % (400 -550 mAh / g) při nízkém výkonu
Relativně raná metoda zavádění nanočástic cínu (elektrolýzou) na povrch grafitových kuliček,
Důmyslný a jednoduchý přístup k problému umožnil vytvořit účinnou baterii s použitím běžného průmyslového prášku 1668 Ah/l
Dalším krokem byl přechod od mikročástic k nanočásticím: ultramoderní baterie a jejich prototypy zvažují a formují struktury hmoty v nanometrovém měřítku, což umožnilo zvýšit kapacitu na 500 - 600 mAh / g (~ 600 Ah / l *) s přijatelnou životností

Jedním z mnoha slibných typů nanostruktur v elektrodách je tzv. konfigurace shell-core, kde jádro je kulička o malém průměru z pracovní látky a plášť slouží jako „membrána“, která zabraňuje lámání částic a zajišťuje elektronickou komunikaci s okolím. Použití mědi jako obalu pro nanočástice cínu ukázalo působivé výsledky, ukázalo vysokou kapacitu (800 mAh/g - 540 mAh/g *) v mnoha cyklech a také při vysokých nabíjecích/vybíjecích proudech. V porovnání s karbonovým pláštěm (600 mAh/g ) je to u Si-C podobné.

Jak bylo uvedeno, ke snížení škodlivých účinků prudké expanze pracovní látky je třeba zajistit prostor pro expanzi.
V minulém roce vědci dosáhli působivého pokroku ve vytváření funkčních nanostruktur: nanorůtek
Jaephil Cho dosahuje 2800 mAh/g nízkého výkonu při 100 cyklech a 2600 → 2400 při vyšším výkonu pomocí porézní silikonové struktury
stejně jako stabilní Si nanovlákna potažená 40nm grafitovým filmem, vykazující 3400 → 2750 mAh/g (akt. in-va) po 200 cyklech.
Yan Yao et al. navrhují použití Si ve formě dutých kuliček, dosahujících úžasné trvanlivosti: počáteční kapacita 2725 mah/g (a pouze 336 Ah/l (*)) s poklesem kapacity po 700 cyklech na méně než 50 %

V září 2011 oznámili vědci z Berkley Lab vytvoření stabilního elektronově vodivého gelu,
které by mohly způsobit revoluci v používání křemíkových materiálů. Význam tohoto vynálezu lze jen stěží přeceňovat: nový gel může sloužit jako držák a vodič zároveň, čímž se zabrání spojování nanočástic a ztrátě kontaktu. Umožňuje použití levných průmyslových prášků jako aktivního materiálu a podle tvůrců je cenově srovnatelný s tradičními držáky. Elektroda vyrobená z průmyslových materiálů (Si nanoprášek) poskytuje stabilních 1360 mAh/g a velmi vysokých 2100 Ah/l (*)

*- odhad skutečné kapacity vypočítaný autorem (viz příloha)
SLEČNA. Foster, C.E. Croutamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US patentová přihláška 20080003502.
Chemie a struktura materiálů Sony Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read a D. Foster Army Research Laboratory 2006.
Vysokokapacitní anody Li-Ion baterií využívající nanodráty Ge
Kulové frézování Kompozitní anodové materiály grafitu/cínu v kapalném prostředí. Ke Wang 2007.
Bezproudově pokovené sloučeniny cínu na uhlíkaté směsi jako anoda pro lithium-iontovou baterii Journal of Power Sources 2009.
Vliv uhlíkového pláště na kompozitní anodu Sn-C pro lithium-iontové baterie. Kiano Ren a kol. Ionics 2010.
Nové Core-Shell Sn-Cu anody pro Li Rech. Baterie připravené redox-transmetalací reagují. pokročilé materiály. 2010
Jádro dvouplášťové Si@SiO2@C nanokompozity jako anodové materiály pro Li-ion baterie Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Polymery s elektronickou strukturou na míru pro vysokokapacitní elektrody lithiových baterií Gao Liu et al. Adv. mater. 2011, 23, 4679–4683
Propojené silikonové duté nanokuličky pro lithiové baterie s dlouhou životností. Yan Yao a kol. Nano Letters 2011.
Porézní materiály Si anody pro lithiové dobíjecí baterie, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009-4014
Elektrody pro Li-Ion baterie – nový způsob, jak se podívat na starý problémový časopis The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
OPRAVY AKUMULÁTORŮ, US Patent 8062556 2006

aplikace

Speciální případy elektrodových struktur:

Odhad skutečné kapacity měděných nanočástic cínu Cu@Sn

Z článku je objemový poměr částic 1 až 3 m




0,52 je faktor balení prášku. V souladu s tím je zbytek objemu za držákem 0,48

Nanosféry. Poměr balení.
nízká objemová kapacita udávaná u nanokuliček je způsobena tím, že kuličky jsou uvnitř duté, a proto je poměr balení aktivního materiálu velmi nízký

tak i to bude 0,1, pro srovnání pro jednoduchý prášek - 0,5...07

Vyměňte reakční anody. oxidy kovů.

Do perspektivní skupiny bezesporu patří také oxidy kovů, jako je Fe 2 O 3 . Vzhledem k vysoké teoretické kapacitě tyto materiály také vyžadují řešení pro zvýšení diskrétnosti aktivní látky elektrody. V této souvislosti zde bude věnována náležitá pozornost tak důležité nanostrukturě, jako je nanovlákno.
Oxidy ukazují třetí způsob, jak zahrnout a vyloučit lithium ve struktuře elektrody. Pokud se v grafitu lithium nachází hlavně mezi vrstvami grafenu, v roztocích s křemíkem je zavedeno do jeho krystalové mřížky, pak zde dochází spíše k „výměně kyslíku“ mezi „hlavním“ kovem elektrody a hostem - lithiem. V elektrodě se vytvoří pole oxidu lithného a základní kov je impregnován do nanočástic uvnitř matrice (viz např. reakce s oxidem molybdenu na obr. MoO 3 + 6Li + + 6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Z této povahy interakce vyplývá potřeba snadného pohybu kovových iontů ve struktuře elektrody, tzn. vysoká difúze, což znamená přechod k jemným částicím a nanostrukturám

Pokud jde o odlišnou morfologii anody, způsoby poskytování elektronické komunikace, lze kromě tradiční (aktivní prášek, grafitový prášek + držák) rozlišit i další formy grafitu jako vodivého činidla:
Běžným přístupem je kombinace grafenu a hlavní látky, kdy nanočástice mohou být umístěny přímo na grafenovém „listu“ a ten zase poslouží jako vodič a pufr při expanzi pracovní látky. Tato struktura byla navržena pro Co 3 O 4 778 mAh/g a je poměrně odolná. Podobně jako 1 100 mAh/g pro Fe 2 O 3
ale s ohledem na velmi nízkou hustotu grafenu je obtížné vůbec posoudit, jak jsou taková řešení použitelná.
Dalším způsobem je použití grafitových nanotrubic A.C. Dillon a kol. experimentování s MoO 3 ukazuje vysokou kapacitu 800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l* ) s 5 hm% ztrátou kapacity držáku po 50 cyklech potažení oxidem hlinitým a také Fe 3 O 4 , bez použití držák stabilní 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Obr. vpravo: SEM snímek anodových nanovláken / Fe 2 O 3 s grafitovými tenkými trubičkami 5 hm. % (bílá)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 20+xM

Pár slov o nanovláknech

V poslední době jsou nanovlákna jedním z horkých témat publikací v materiálových vědeckých publikacích, zejména těch, které se věnují slibným bateriím, protože poskytují velký aktivní povrch s dobrou vazbou mezi částicemi.
Zpočátku byla nanovlákna využívána jako druh aktivních nanočástic, které v homogenní směsi s držákem a vodivými činidly tvoří elektrodu.
Otázka hustoty balení nanovláken je velmi složitá, protože závisí na mnoha faktorech. A zřejmě záměrně prakticky neosvětlené (konkrétně ve vztahu k elektrodám). To již znesnadňuje analýzu skutečných indikátorů celé anody. Pro vytvoření odhadu se autor odvážil použít práci R. E. Mucka věnovanou rozboru hustoty sena v bunkrech. Soudě podle snímků SEM nanovláken by optimistická analýza hustoty balení byla 30–40 %
V posledních 5 letech se více pozornosti soustředí na syntézu nanovláken přímo na kolektoru proudu, což má řadu vážných výhod:
Je zajištěn přímý kontakt pracovního materiálu se sběračem proudu, zlepšuje se kontakt s elektrickým proudem a odpadá potřeba grafitových přísad. se obejde několik stupňů výroby, výrazně se zvýší hustota balení pracovní látky.
K. Chan et al., testování nanovláken Ge získala 1000mAh/g (800Ah/l) pro nízký výkon a 800→550 (650→450 Ah/l*) při 2C po 50 cyklech. Yanguang Li a autoři zároveň prokázali vysokou kapacitu a obrovský výkon Co 3 O 4: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) po 20 cyklech a 600 mAh / g (480 Ah / l * ) při 20násobném zvýšení proudu

Inspirativní práce A. Belchera**, které jsou prvními kroky do nové éry biotechnologií, by měly být poznamenány a doporučeny všem k seznámení.
Úpravou bakteriofágového viru se A. Belcherovi podařilo na jeho bázi vybudovat nanovlákna při pokojové teplotě, díky přirozenému biologickému procesu. Vzhledem k vysoké strukturální jasnosti takových vláken jsou výsledné elektrody nejen neškodné životní prostředí, ale také vykazují jak zhutnění balíku vláken, tak výrazně odolnější provoz.

*- odhad skutečné kapacity vypočítaný autorem (viz příloha)
**
Angela Belcher je vynikající vědkyně (chemik, elektrochemik, mikrobiolog). Vynálezce syntézy nanovláken a jejich uspořádání do elektrod prostřednictvím speciálně vyšlechtěných virových kultur
(viz rozhovor)

aplikace

Jak bylo řečeno, k nabití anody dochází reakcí

V literatuře jsem nenašel údaje o skutečných rychlostech rozpínání elektrody při nabíjení, proto je navrhuji hodnotit co nejmenšími změnami. Tedy podle poměru molárních objemů reaktantů a reakčních produktů (V Lihitated - objem nabité anody, V UnLihitated - objem vybité anody) lze snadno zjistit hustoty kovů a jejich oxidů. v otevřených zdrojích.

Výpočtové vzorce	Příklad výpočtu pro MoO 3

Je třeba mít na paměti, že výsledná objemová kapacita je kapacitou spojité účinné látky, proto v závislosti na typu struktury zaujímá účinná látka různý podíl objemu celého materiálu, bude to zohledněno při zavádění součinitele balení k p . Například u prášku je to 50-70%

Vysoce reverzibilní hybridní anoda Co3O4/grafen pro lithiové dobíjecí baterie. H.Kim a kol. CARBON 49(2011) 326-332
Nanostrukturovaný kompozit s redukovaným oxidem grafenu/Fe2O3 jako vysoce výkonný anodový materiál pro lithium-iontové baterie. ACSNANO VOL. 4 ▪ NE. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
Nanostrukturované anody oxidů kovů. A. C. Dillon. 2010
Nový způsob pohledu na hustotu bunkrové siláže. R. E. Muck. Americké výzkumné centrum mléčných pícnin Madison, Madison WI
Vysokokapacitní anody Li-ion baterie využívající Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, č. 1 307-309
Mesoporous Co3O4 Nanowire Arrays pro lithium-iontové baterie s vysokou kapacitou a rychlostí. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, č. 1 265-270
Syntéza a sestavení nanodrátů pomocí virů pro elektrody lithium-iontových baterií Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.scienceexpress.org /06. dubna 2006 / Strana 1 / 10.1126/science.112271
Silikonová anoda pro lithium-iontové baterie s podporou virů. Xilin Chen a kol. ACS Nano, 2010, 4(9), str. 5366–5372.
VIRUSOVÉ LEŠENÍ PRO SAMOMONTOVANÉ, FLEXIBILNÍ A LEHKÉ LITIOVÉ BATERIE MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Lithium Ion HIT. katody

Katody lithium-iontových baterií musí být hlavně schopny přijímat ionty lithia a poskytovat vysoké napětí, a tedy velkou energii spolu s kapacitou.

Zajímavá situace se vyvinula v oblasti vývoje a výroby katod Li-Ion baterií. V roce 1979 John Goodenough a Mizuchima Koichi patentovali LiMO2 vrstvené katody pro Li-Ion baterie, které pokrývají téměř všechny existující katody lithium-iontových baterií.
Klíčové prvky katody
kyslík, jako spojovací článek, most, stejně jako lithium „chytající“ svými elektronovými mraky.
Přechodný kov (tj. kov s valenčními d-orbitaly), protože může tvořit struktury s různým počtem vazeb. První katody používaly síru TiS 2, ale poté přešly na kyslík, kompaktnější a hlavně elektronegativnější prvek, poskytující téměř zcela iontovou vazbu s kovy. Vrstvená struktura LiMO 2 (*) je nejběžnější a veškerý vývoj se točí kolem tří kandidátů M=Co, Ni, Mn a neustále se dívá na velmi levné Fe .

Kobalt, na rozdíl od mnoha věcí, Olympus okamžitě zachytil a stále drží (90% katod), ale díky vysoké stabilitě a správnosti vrstvené struktury od 140 mAh / g se kapacita LiCoO 2 zvýšila na 160-170 mAh / g , díky rozšíření rozsahu napětí. Ale kvůli své vzácnosti na Zemi je Co příliš drahý a jeho použití v čisté formě lze ospravedlnit pouze v malých bateriích, například pro telefony. 90 % trhu zabírá úplně první a v současnosti stále nejkompaktnější katoda.
Nikl byl a zůstává slibným materiálem vykazujícím vysokou hodnotu 190 mA/g, ale je mnohem méně stabilní a taková vrstvená struktura ve své čisté formě pro Ni neexistuje. Extrakce Li z LiNiO 2 produkuje téměř 2x více tepla než z LiCoO 2, což činí jeho použití v této oblasti nepřijatelné.
Mangan. Další dobře prozkoumanou strukturou je ta, která byla vynalezena v roce 1992. Jean-Marie Tarasco, katoda s oxidem manganu a spinelu LiMn 2 O 4 : s mírně nižší kapacitou je tento materiál mnohem levnější než LiCoO 2 a LiNiO 2 a mnohem spolehlivější. Dnes je to dobrá varianta pro hybridní vozidla. Poslední vývoj souvisí s legováním niklu kobaltem, což výrazně zlepšuje jeho strukturní vlastnosti. Významné zlepšení stability bylo také zaznamenáno, když byl Ni dopován elektrochemicky neaktivním Mg: LiNi 1-y Mg y O 2 . Pro Li-ion katody existuje mnoho slitin LiMn x O 2x.
zásadní problém- jak zvýšit kapacitu. U cínu a křemíku jsme již viděli, že nejzřejmější způsob, jak zvýšit kapacitu, je cestovat po periodické tabulce nahoru, ale bohužel neexistuje nic nad aktuálně používanými přechodnými kovy (obr. vpravo). Proto je veškerý pokrok v posledních letech související s katodami obecně spojen s odstraněním stávajících nedostatků: zvýšení trvanlivosti, zlepšení kvality, studium jejich kombinací (obrázek nahoře vlevo)
Žehlička. Od počátku lithium-iontové éry bylo učiněno mnoho pokusů použít železo v katodách, ale všechny bez úspěchu. Přestože by LiFeO 2 byla ideální levná a výkonná katoda, ukázalo se, že Li nelze ze struktury extrahovat v normálním rozsahu napětí. Situace se radikálně změnila v roce 1997 studiem e/h vlastností olivínu LiFePO 4 . Vysoká kapacita (170 mAh/g) cca 3,4 V s lithiovou anodou a žádný vážný pokles kapacity ani po několika stovkách cyklů. Hlavní nevýhodou olivínu byla dlouhou dobu špatná vodivost, která výrazně omezovala výkon. K nápravě situace byly provedeny klasické pohyby (broušení s grafitovým povlakem) pomocí gelu s grafitem, bylo možné dosáhnout vysokého výkonu při 120mAh/g po dobu 800 cyklů. Opravdu obrovského pokroku bylo dosaženo mizivým dopováním Nb, zvýšením vodivosti o 8 řádů.
Vše nasvědčuje tomu, že se Olivín stane nejmasivnějším materiálem pro elektromobily. O výhradní vlastnictví práv k LiFePO 4 se společnost A123 Systems Inc. již několik let soudí. a Black & Decker Corp, ne bezdůvodně věří, že jde o budoucnost elektrických vozidel. Nedivte se, ale všechny patenty jsou podány pro stejného kapitána katod - Johna Goodenougha.
Olivín prokázal možnost použití levných materiálů a prorazil jakousi platinu. Do výsledného prostoru se okamžitě vrhlo inženýrské myšlení. Takže se nyní aktivně diskutuje např. o nahrazení sulfátů fluorofosfáty, které zvýší napětí o 0,8 V, tzn. Zvyšte energii a výkon o 22 %.
Je to legrační: zatímco probíhá spor o práva na olivín, narazil jsem na spoustu noname výrobců nabízejících prvky na nové katodě,

* Všechny tyto sloučeniny existují stabilně pouze společně s lithiem. A podle toho jsou vyrobeny již nasycené. Proto při nákupu baterií na jejich základě musíte nejprve baterii nabít destilací části lithia k anodě.
** Pochopení vývoje katod lithium-iontových baterií jej mimovolně začnete vnímat jako souboj dvou gigantů: Johna Goodenougha a Jean-Marie Tarasca. Jestliže Goodenough patentoval svou první zásadně úspěšnou katodu v roce 1980 (LiCoO 2 ), Dr. Trasko odpověděl o dvanáct let později (Mn 2 O 4 ). Druhý zásadní úspěch Američana se uskutečnil v roce 1997 (LiFePO 4 ) a v polovině minulého desetiletí Francouz tuto myšlenku rozšiřuje zavedením LiFeSO 4 F a pracuje na použití zcela organických elektrod
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K.U.S. Patent 4,302,518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K.U.S. Patent 4,357,215, 1981.
Věda a technologie lithium-iontových baterií. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
Způsob přípravy interkalačních sloučenin LiMn204 a jejich použití v sekundárních lithiových bateriích. barbox; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean Marie. Bell Communications Research Inc. 1992 US Patent 5,135,732.

Dobíjecí elektrochemický článek s katodou ze stechiometrického disulfidu titanu Whittingham; M. Stanley. US Patent 4,084,046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Lithiové baterie a katodové materiály. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
3,6 V kladná fluorosulfátová vkládací elektroda na bázi lithia pro lithium-iontové baterie. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 a J-M. Tarascon. PŘÍRODNÍ MATERIÁL listopad 2009.

aplikace

Kapacita katod je opět definována jako maximální extrahovaný náboj na hmotnost látky, například skupiny
Li 1-x MO2 +Li + +e - ---> Li x MO2

Například pro Co

při stupni extrakce Li x=0,5 bude kapacita látky

Na tento moment vylepšení ve výrobním procesu umožnilo zvýšit stupeň extrakce a dosáhnout 160 mAh / g
Ale zdaleka většina prášků na trhu těchto čísel nedosahuje.

organická éra.
Na začátku recenze jsme jako jeden z hlavních hnacích faktorů přechodu na elektromobily uvedli snížení znečištění. Ale vezměte si třeba to moderní hybridní auto: rozhodně pálí méně paliva, ale při výrobě baterie pro něj se 1 kWh spálí přibližně 387 kWh uhlovodíků. Takové auto samozřejmě vypouští méně škodlivin, ale skleníkových plynů při výrobě (70-100 kg CO 2 na 1 kWh) stále neuniká. V moderní konzumní společnosti se navíc zboží nepoužívá, dokud není vyčerpán jeho zdroj. To znamená, že doba pro „vrácení“ této energetické půjčky je krátká a likvidace moderních baterií je drahá a ne všude dostupná. Tedy energetická účinnost moderní baterie stále pochybné.
Nedávno se objevilo několik slibných biotechnologií, které umožňují syntézu elektrod při pokojové teplotě. A. Belcher (viry), J.M. Tarasco (použití bakterií).

Vynikajícím příkladem takového slibného biomateriálu je litizovaný oxokarbon - Li 2 C 6 O 6 (Lithium Radisonate), který díky schopnosti reverzibilně pojmout až čtyři Li na vzorec vykazoval velkou gravimetrickou kapacitu, ale protože redukce je spojena s pí vazby, je poněkud menší v -potenciálu (2,4 V). Podobně jsou další aromatické kruhy považovány za základ pro kladnou elektrodu, což také hlásí významné snížení baterií.
Hlavní "nevýhoda" jakékoli organické sloučeniny je jejich nízká hustota, protože veškerá organická chemie se zabývá lehkými prvky C, H, O a N. Abychom pochopili, jak perspektivní je tento směr, stačí říci, že tyto látky lze získat z jablek a kukuřice a jsou také snadno recyklovatelné a recyklovatelné.
Radisonát lithný by již byl považován za nejslibnější katodu pro automobilový průmysl, ne-li pro omezenou proudovou hustotu (výkon) a nejslibnější pro přenosnou elektroniku, ne-li pro nízkou hustotu materiálu (nízká objemová kapacita) (obr. vlevo, odjet). Mezitím je to stále jen jedna z nejslibnějších oblastí práce: Baterie

mobilní zařízení

Přidat štítky

"Kvantová" baterie

Od 26. do 28. února se v Tokiu koná Drive Show, na které se mimo jiné představí Micronics Japan Co. spol. Málo se ví o jejím předchozím vývoji, ale naposledy oznámila, že vyvinula a připravila k výrobě nový typ vrstvené baterie. Jediný článek, který společnost představila, je film se strukturou oxidu kovu a polovodiče typu n, který využívá částice oxidu titaničitého, oxidu cíničitého a oxidu zinečnatého potažené izolačním filmem. Prototyp používá list z nerezové oceli Tloušťka 10 mikronů, ale brzy bude nahrazena hliníkem.

Kvantoví vývojáři pojmenovali svou baterii, aby zdůraznili její fyzikální spíše než chemickou povahu. Přestože místo iontů využívá k ukládání energie elektrony, tato baterie se v principu liší od kondenzátorů. Systém je prý založen na ukládání elektronů v „bandgapu“ polovodiče.

Při výrobě kov-oxid-polovodičových struktur je nábojová vrstva akumulátoru ozařována ultrafialovým světlem. Po výrobě, když jsou nabity, elektrony přebírají volné energetické hladiny v pracovním materiálu a jsou zde uloženy, dokud není třeba baterii vybít. Výsledkem jsou dobíjecí baterie s velmi vysokou hustotou akumulace energie.
Není známo, jaký výkon mají testovací vzorky, ale vývojář tvrdí, že výrobní vzorky, které se objeví v blízké budoucnosti, budou mít kapacitu až 500 Wh/l a zároveň budou schopny dodat až 8 000 W špičkového výkonu na litr objemu.
Tato úložiště se kombinují Nejlepší vlastnosti baterie a superkondenzátory. I s malou kapacitou budou schopny dodat vysoký špičkový výkon. Napětí odebírané z takových pohonů se při vybíjení nesnižuje, ale zůstává stabilní až do konce.
Deklarovaný rozsah provozních teplot od -25 do +85 °C. Baterie může být podrobena 100 000 cyklům nabití/vybití, než klesne pod 90 % své původní kapacity. Schopnost rychle odebírat a dávat energii výrazně zkrátí dobu nabíjení. Tyto baterie jsou navíc ohnivzdorné. Při jeho výrobě se nepoužívají vzácné nebo drahé materiály. Obecně platí, že existuje tolik výhod, že je těžké uvěřit.

Samonabíjecí baterie

Skupina výzkumníků vedená Zhonglinem Wangem (Zhong Lin Wang) z Georgia Institute of Technology (USA) vytvořila samonabíjecí baterii, která k dobití nevyžaduje připojení k elektrické zásuvce.
Zařízení se nabíjí z mechanický náraz, abych byl přesný - od lisování. Plánuje se použití v chytrých telefonech a dalších dotykových zařízeních.
Vývojáři umístili své zařízení pod klávesy kalkulačky a byli schopni zajistit jeho výkon během dne díky energii ze stisku tlačítek.

Baterie je "předem" z polyvinylidenfluoridových a zirkonát-titanát-olověných filmů o tloušťce několika set mikrometrů. Při stlačení migrují ionty lithia z katody na anodu v důsledku piezoelektrického jevu. Pro zvýšení účinnosti prototypu přidali vědci do jeho piezoelektrického materiálu nanočástice, které umocňují odpovídající efekt, a dosáhli výrazného zvýšení kapacity a rychlosti dobíjení zařízení.
Musíte pochopit, že baterie je neprůhledná, takže se vejde pouze pod tlačítka nebo pod obrazovku.
Baterie nemá tak vynikající vlastnosti jako dříve popsané zařízení (nyní kapacita baterie velikosti standardního tabletu pro základní desky vzrostla z původních 0,004 na 0,010 mAh), ale vývojáři slibují, že na její účinnosti zapracují. Výrobní návrhy jsou ještě daleko, i když flexibilní obrazovky – hlavní zařízení, do kterých vývojáři plánují umístit svou baterii – se zatím příliš nepoužívají. Ještě je čas dokončit svůj vynález a uvést jej do výroby.

Baterie na bázi cukru

Zdá se, že vývojem baterií se zabývají pouze Asiaté. Prototyp další neobvyklé baterie vznikl na americké Virginia Polytechnic University.

Tato baterie v podstatě běží na cukr, přesněji na maltodextrin, polysacharid získaný hydrolýzou škrobu. Katalyzátorem v takové baterii je enzym. Je mnohem levnější než platina, která se dnes používá v klasických bateriích. Taková baterie patří k typu enzymových palivových článků. Elektřina se zde vyrábí reakcí kyslíku, vzduchu a vody. Na rozdíl od vodíkových palivových článků jsou enzymy nehořlavé a nevýbušné. A poté, co baterie vyčerpá svůj zdroj, podle vývojářů ji lze znovu naplnit cukrem.
O Technické specifikace tohoto typu o bateriích se toho ví málo. Tvrdí se pouze, že hustota energie v nich je několikanásobně vyšší než v běžných lithium-iontových bateriích. Náklady na takové baterie jsou výrazně nižší než u konvenčních, takže vývojáři jsou plni důvěry, že pro ně v příštích 3 letech najdou komerční uplatnění. Počkejme si na slib.

Baterie s granátovou strukturou

Vědci z americké National Accelerator Laboratory SLAC na Stanfordské univerzitě se ale rozhodli zvýšit objem konvenčních baterií pomocí struktury granátu.

Vývojáři co nejvíce zmenšili velikost anod a každou z nich umístili do uhlíkového pláště. Tím se zabrání jejich zničení. Během procesu nabíjení se částice roztahují a spojují do shluků, které jsou také umístěny v uhlíkovém obalu. V důsledku takových manipulací je kapacita těchto baterií 10krát vyšší než kapacita běžných lithium-iontových baterií.
Z experimentů vyplývá, že po 1000 cyklech nabití / vybití si baterie zachová 97 % své původní kapacity.
O komerčním využití této technologie je ale příliš brzy hovořit. Výroba křemíkových nanočástic je příliš nákladná a proces vytváření takových baterií je příliš komplikovaný.

Atomové baterie

A nakonec budu mluvit o vývoji Britští vědci. Rozhodli se překonat své kolegy vytvořením miniaturního jaderného reaktoru. Prototyp atomové baterie na bázi tritia vytvořený výzkumníky z University of Surrey produkuje dostatek energie pro napájení mobilního telefonu po dobu 20 let. Pravda, později už to nebude možné dobít.

V baterii, která je integrovaným obvodem, dochází k jaderné reakci, v jejímž důsledku vzniká 0,8 - 2,4 wattu energie. Pracovní teplota baterie je -50 až +150. Ona se však nebojí ostré kapky teplota a tlak.
Vývojáři tvrdí, že tritium obsažené v baterii není pro člověka nebezpečné, protože. jeho obsahu je velmi málo. Nicméně, o masová produkce je příliš brzy říkat takové zdroje energie - vědci mají před sebou ještě mnoho výzkumu a testování.

Závěr

Samozřejmě ne všechny výše uvedené technologie najdou své uplatnění, je však třeba si uvědomit, že v příštích několika letech by mělo dojít k průlomu v technologii výroby baterií, což bude znamenat prudký nárůst elektromobilů a výroby smartphonů a dalších elektronická zařízení nový typ.

Představ si mobilní telefon, který vydrží nabitý déle než týden a poté se nabije za 15 minut. Fantastický? Ale může se stát realitou díky nové studii vědců z Northwestern University (Evanston, Illinois, USA). Tým inženýrů vyvinul elektrodu pro lithium-iontové dobíjecí baterie (které se dnes používají ve většině mobilních telefonů), která 10krát zvýšila jejich energetickou kapacitu. Tento příjemná překvapení neomezeno - nové bateriová zařízení mohou nabíjet 10krát rychleji než ty současné.

K překonání zavedených omezení stávající technologie na energetickou kapacitu a rychlost nabíjení baterie vědci použili dva různé přístupy chemického inženýrství. Výsledná baterie nejen prodlouží životnost malých elektronických zařízení, jako jsou telefony a notebooky, ale také připraví cestu pro vývoj účinnějších a kompaktnějších baterií pro elektromobily.

"Našli jsme způsob, jak prodloužit dobu udržení nabití nové lithium-iontové baterie desetkrát," řekl profesor Harold H. Kung, jeden z hlavních autorů studie. „Dokonce i po 150 nabití/vybití, což znamená minimálně rok provozu, zůstává pětkrát účinnější než lithium-iontové baterie na současném trhu.“

Provoz lithium-iontové baterie je založen na chemické reakci, při které se ionty lithia pohybují mezi anodou a katodou umístěnou na opačných koncích baterie. Během provozu na baterie migrují ionty lithia z anody přes elektrolyt ke katodě. Při nabíjení je jejich směr nahrazen přesně opačným. Současné baterie mají dvě důležitá omezení. Jejich energetická kapacita – tedy doba udržení nabití baterie – je omezena hustotou nabití nebo tím, kolik iontů lithia se vejde na anodu nebo katodu. Rychlost nabíjení takové baterie je zároveň omezena rychlostí, jakou se ionty lithia dokážou přesouvat přes elektrolyt k anodě.

V dnešních dobíjecích bateriích může mít anoda vyrobená z mnoha grafenových plátů pouze jeden atom lithia na každých šest atomů uhlíku (které tvoří grafen). Ve snaze zvýšit energetickou kapacitu baterií vědci již experimentovali s nahrazením uhlíku křemíkem, který pojme mnohem více lithia: čtyři atomy lithia na každý atom křemíku. Křemík se však během nabíjecího procesu prudce rozpíná a smršťuje, což způsobuje fragmentaci hmoty anody a v důsledku toho rychlou ztrátu nabíjecí kapacity baterie.

V současné době nízká rychlost nabíjení baterie se vysvětluje tvarem grafenových plátů: ve srovnání s tloušťkou (což je pouze jeden atom) je jejich délka neúnosná. Během nabíjení musí lithium-iont pokrýt vzdálenost k vnějším okrajům grafenových listů a poté mezi nimi projít a zastavit se někde uvnitř. Vzhledem k tomu, že lithiu trvá dlouho, než se dostane do středu grafenového listu, je u jeho okrajů pozorováno něco jako iontový zásek.

Jak již bylo zmíněno, Kungova výzkumná skupina vyřešila oba tyto problémy přijetím dvou různých technologií. Za prvé, aby byla zajištěna stabilita křemíku a v souladu s tím byla zachována maximální nabíjecí kapacita baterie, umístili mezi grafenové listy křemíkové shluky. To umožnilo zvýšit počet iontů lithia v elektrodě a současně využít flexibilitu grafenových listů pro zohlednění změn objemu křemíku během nabíjení/vybíjení baterie.

"Teď zabijeme obě mouchy jednou ranou," říká Kung. „Díky křemíku získáváme vyšší hustotu energie a prokládání vrstev snižuje výkonové ztráty způsobené rozpínáním se smršťováním křemíku. I přes zničení křemíkových shluků samotný křemík nikam nevede.“

Kromě toho vědci použili proces chemické oxidace k vytvoření miniaturních (10-20 nanometrů) otvorů v grafenových listech („defekty v rovině“), které poskytují iontům lithia „rychlý přístup“ do vnitřku anody a následné uložení v je to výsledek reakce s křemíkem. To zkrátilo čas potřebný k nabití baterie faktorem 10.

Veškeré snahy o optimalizaci chodu baterií zatím směřovaly k jedné z jejich součástí – anodě. V další fázi výzkumu vědci plánují studovat změny na katodě za stejným účelem. Kromě toho chtějí vylepšit systém elektrolytů tak, aby se baterie mohla automaticky (a reverzibilně) vypnout při vysokých teplotách, což je ochranný mechanismus, který by mohl být užitečný při použití baterií v elektromobilech.

Podle vývojářů aktuální forma nová technologie by měla vstoupit na trh během příštích tří až pěti let. V časopise Advanced Energy Materials vyšel článek o výsledcích výzkumu a vývoje nových baterií.

Čtení otázky trudnopisaka :

„Bylo by zajímavé dozvědět se o nových technologiích baterií, které se připravují pro sériovou výrobu."

Kritérium hromadné výroby je samozřejmě poněkud rozšiřitelné, ale zkusme zjistit, co je nyní slibné.

Zde je to, na co chemici přišli:

Napětí článku ve voltech (vertikálně) a specifická kapacita katody (mAh/g) nová baterie bezprostředně po jeho výrobě (I), prvním výboji (II) a prvním náboji (III) (ilustrace Hee Soo Kim et al./Nature Communications).

Z hlediska energetického potenciálu jsou baterie na bázi kombinace hořčíku a síry schopny obejít ty lithiové. Ale zatím se nikomu nepodařilo přimět tyto dvě látky, aby v bateriovém článku spolupracovaly. Nyní se to s jistými výhradami skupině specialistů v USA podařilo.

Vědci z Toyoty výzkumný institut PROTI Severní Amerika(TRI-NA) se pokusili vyřešit hlavní problém, stojící v cestě vytvoření hořčíkovo-sírových baterií (Mg/S).

Převzato z Pacific Northwest National Laboratory.

Němci vynalezli fluorid-iontovou baterii

Kromě celé armády elektrochemických zdrojů proudu vyvinuli vědci další možnost. Jeho uváděnými výhodami je menší nebezpečí požáru a desetinásobná specifická kapacita než lithium-iontové baterie.

Chemici z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) přišli s konceptem baterie na bázi fluoridů kovů a dokonce otestovali některé malé laboratorní vzorky.

V takových bateriích jsou anionty fluoru zodpovědné za přenos nábojů mezi elektrodami. Anoda a katoda baterie obsahují kovy, které se v závislosti na směru proudu (nabíjení nebo vybíjení) postupně mění na fluoridy nebo se redukují zpět na kovy.

„Protože jeden atom kovu může přijmout nebo darovat více elektronů najednou, umožňuje tento koncept extrémně vysoké hustoty energie – až desetkrát vyšší než u běžných lithium-iontových baterií,“ říká jeden z autorů vývoje Dr. Maximilian Fichtner. (Maximilián Fichtner).

K otestování této myšlenky vytvořili němečtí vědci několik vzorků takových baterií o průměru 7 milimetrů a tloušťce 1 mm. Autoři studovali několik elektrodových materiálů (například měď a vizmut v kombinaci s uhlíkem) a vytvořili elektrolyt na bázi lanthanu a barya.

Takový pevný elektrolyt je však pouze mezistupeň. Tato kompozice, která vede ionty fluoru, funguje dobře pouze tehdy vysoká teplota. Chemici proto za něj hledají náhradu – kapalný elektrolyt, který by fungoval při pokojové teplotě.

(Podrobnosti naleznete v tiskové zprávě ústavu a článku v Journal of Materials Chemistry.)

Baterie budoucnosti

Co čeká trh s bateriemi v budoucnu, je zatím těžké odhadnout. Lithiové baterie stále kralují a mají dobrý potenciál díky vývoji lithium-polymerů. Zavádění stříbrno-zinkových prvků je velmi dlouhý a nákladný proces a jeho účelnost je stále diskutabilní. Technologie palivových článků a nanotrubiček jsou po mnoho let chváleny a popisovány těmi nejkrásnějšími výrazy, ale když přijde na praxi, skutečné produkty jsou buď příliš objemné, nebo příliš drahé, nebo obojí. Jasné je jen jedno – v následujících letech se bude toto odvětví nadále aktivně rozvíjet, protože obliba přenosných zařízení roste mílovými kroky.

Souběžně s notebooky zaměřenými na offline práce, se rozvíjí směr stolních notebooků, u kterých baterie plní spíše roli záložní UPS. Nedávno Samsung vydal podobný notebook zcela bez baterie.

V NiCd-akumulátory mají i možnost elektrolýzy. Aby se v nich nehromadil výbušný vodík, jsou baterie vybaveny mikroskopickými ventily.

v renomovaném ústavu MIT byl nedávno vyvinut unikátní technologie Výroba lithiové baterieúsilím speciálně vyškolených virů.

Ačkoli palivový článek Navenek je zcela odlišná od tradiční baterie, funguje na stejných principech.

A kdo další vám prozradí slibné směry?

Před více než 200 lety vytvořil německý fyzik Wilhelm Ritter první baterii na světě. V porovnání s již existující baterií A. Volty bylo možné Wilhelmovo akumulační zařízení opakovaně nabíjet a vybíjet. V průběhu dvou století se baterie elektřiny hodně změnila, ale na rozdíl od „kolečka“ se vynalézá dodnes. Dnes jsou nové technologie ve výrobě baterií diktovány nástupem nejnovější zařízení potřebují nezávislé napájení. Nové a výkonnější gadgety, elektromobily, létající drony – všechna tato zařízení vyžadují menší, lehčí, ale prostornější a odolnější baterie.

Základní strukturu baterie lze popsat ve zkratce - jsou to elektrody a elektrolyt. Právě od materiálu elektrod a složení elektrolytu závisí vlastnosti baterie a určuje se její typ. V současné době existuje více než 33 typů dobíjecích zdrojů, ale nejpoužívanější jsou:

• olověná kyselina;
• nikl-kadmium;
• nikl-metal hydrid;
• lithium-ion;
• lithium polymer;
• nikl-zinek.

Práce kteréhokoli z nich je vratná chemická reakce, to znamená, že při nabíjení se obnoví reakce, ke které dochází při vybíjení.

Oblast použití baterií je poměrně široká a v závislosti na typu zařízení, které z ní pracuje, jsou na baterii kladeny určité požadavky. Například pro gadgety by měl být lehký, minimálně velký a měl by mít dostatek velká kapacita. U elektrického nářadí nebo létajícího dronu je zpětný ráz důležitý, protože spotřeba elektrický proud dost vysoko. Současně existují požadavky, které platí pro všechny baterie - jedná se o vysokou kapacitu a zdroj nabíjecích cyklů.

Touto problematikou se zabývají vědci po celém světě, probíhá mnoho výzkumů a testování. Bohužel se ukázalo, že mnoho návrhů, které vykazovaly vynikající elektrické a provozní výsledky, byly příliš drahé a nebyly uvedeny na trh masová produkce. S technickou stránku, nejlepší materiály stříbro a zlato se používají k výrobě baterií a z ekonomického hlediska bude cena takového produktu pro spotřebitele nedostupná. Hledání nových řešení přitom neustává a prvním výrazným průlomem byla lithium-iontová baterie.

Poprvé byl představen v roce 1991 japonská společnost Sony. Baterie se vyznačovala vysokou hustotou a nízkým samovybíjením. Měla však nedostatky.

První generace takových napájecích zdrojů byla výbušná. Časem se na anodě nahromadily dendrity, což vedlo ke zkratu a požáru. V procesu zlepšování v další generaci byla použita grafitová anoda a tento nedostatek byl odstraněn.

Druhou nevýhodou byl paměťový efekt. Při neustálém nedokončeném nabíjení baterie ztrácela kapacitu. Práce na odstranění tohoto nedostatku byly doplněny nový trend touha po miniaturizaci. Touha vytvořit ultratenké smartphony, ultrabooky a další zařízení vyžadovala vědu, aby vyvinula nový zdroj energie. Navíc již zastaralá lithium-iontová baterie neuspokojovala potřeby modelářů, kteří potřebovali nový zdroj elektřiny s mnohem vyšší hustotou a vysokým výstupním proudem.

V důsledku toho byl v lithium-iontovém modelu použit polymerní elektrolyt a efekt předčil všechna očekávání.

Vylepšený model byl nejen prostý paměťového efektu, ale také několikanásobně lepší než jeho předchůdce ve všech ohledech. Poprvé se podařilo vytvořit baterii o tloušťce pouze 1 mm. Jeho formát by přitom mohl být nejrozmanitější. Takové baterie začaly být okamžitě velmi žádané jak mezi modeláři, tak mezi výrobci mobilních telefonů.

Ale stále byly nedostatky. Ukázalo se, že prvek představuje nebezpečí požáru, během dobíjení se zahřál a mohl by se vznítit. Moderní polymerové baterie jsou vybaveny vestavěným obvodem, který zabraňuje přebíjení. Také se doporučuje nabíjet je pouze speciálními nabíječky dodávané nebo podobné modely.

Ne méně než důležitá vlastnost baterie - náklady. Dnes je to nejvíc velký problém na cestě vývoje baterií.

Výkon elektrického vozidla

Tesla Motors vyrábí baterie pomocí nových technologií založených na součástkách ochranná známka Panasonic. Nakonec tajemství není odhaleno, ale výsledek testu potěší. Ekomobil Model Tesla S vybavený akumulátorem pouze 85 kWh ujel na jedno nabití něco málo přes 400 km. Svět samozřejmě není bez zvědavců, a tak byla jedna z těchto baterií v hodnotě 45 000 USD přesto otevřena.

Uvnitř byla spousta lithium-iontových článků Panasonic. Pitva přitom nedala všechny odpovědi, které bych chtěl dostat.

Budoucí technologie

I přes dlouhé období stagnace, je věda na pokraji velkého průlomu. Je dost možné, že zítra bude mobil fungovat měsíc bez dobití a elektromobil ujede na jedno nabití 800 km.

Nanotechnologie

Vědci z University of Southern California tvrdí, že výměna grafitových anod za křemíkové dráty o průměru 100 nm zvýší kapacitu baterie 3krát a zkrátí dobu nabíjení na 10 minut.

Stanfordská univerzita zásadně navrhla nový druh anody. Porézní uhlíkové nanodrátky potažené sírou. Podle nich takový zdroj energie akumuluje 4-5krát více elektřiny než Li-ion baterie.

Uvedl to americký vědec David Kizaylus nabíjecí baterie na bázi magnetitových krystalů bude nejen prostornější, ale také relativně levná. Koneckonců, tyto krystaly lze získat ze zubů měkkýšů.

Vědci z Washingtonské univerzity se na věci dívají praktičtěji. Mají již patentované nové technologie baterií, které místo grafitové elektrody využívají cínovou anodu. Vše ostatní se nezmění a nové baterie mohou snadno nahradit ty staré v našich známých gadgetech.

Dnešní revoluce

Opět elektromobily. Zatím jsou stále nižší než auta, pokud jde o výkon a počet najetých kilometrů, ale to není na dlouho. Tak říkají zástupci korporace IBM, kteří navrhli koncept lithium-vzduchových baterií. Navíc je v letošním roce přislíbeno představení nového napájecího zdroje, který je ve všech ohledech lepší.