اولین منبع فعلی را در نظر بگیرید که توسط ولتا اختراع شد و نام گالوانی را یدک می‌کشد.

منبع جریان در هر باتری فقط می تواند یک واکنش ردوکس باشد. در واقع، این دو واکنش هستند: یک اتم با از دست دادن یک الکترون اکسید می شود. به دست آوردن الکترون بازیابی می گویند. یعنی واکنش ردوکس در دو نقطه انجام می شود: از کجا و کجا الکترون ها جریان می یابند.

دو فلز (الکترود) در محلول آبی نمک های اسید سولفوریک خود غوطه ور می شوند. فلز یک الکترود اکسید شده و دیگری احیا می شود. دلیل این واکنش این است که عناصر یک الکترود الکترون ها را قوی تر از عناصر الکترود دیگر جذب می کنند. در یک جفت الکترود فلزی روی - مس، یون مس (و نه یک ترکیب خنثی) توانایی بیشتری برای جذب الکترون دارد، بنابراین، وقتی فرصتی وجود دارد، الکترون به میزبان قوی‌تری منتقل می‌شود و یون روی ربوده می‌شود. توسط محلول اسید به الکترولیت (برخی ماده رسانای یونی) وارد می شود. انتقال الکترون در طول یک رسانا از طریق یک شبکه الکتریکی خارجی انجام می شود. به موازات حرکت یک بار منفی در جهت مخالف، یون‌های دارای بار مثبت (آنیون‌ها) در الکترولیت حرکت می‌کنند (ویدیو را ببینید)

در تمام CHIT های قبل از لیتیوم یون، الکترولیت یک شرکت کننده فعال در واکنش های در حال انجام است.
اصل کارکرد باتری سربی را ببینید

خطای گالوانی

الکترولیت همچنین یک رسانای جریان است، تنها از نوع دوم، که در آن حرکت بار توسط یون ها انجام می شود. بدن انسان دقیقاً چنین رسانایی است و ماهیچه ها به دلیل حرکت آنیون ها و کاتیون ها منقبض می شوند.
بنابراین L. Galvani به طور تصادفی دو الکترود را از طریق یک الکترولیت طبیعی - یک قورباغه تشریح شده - متصل کرد.

ویژگی های HIT

ظرفیت - تعداد الکترون‌هایی (بار الکترونیکی) که می‌توان از دستگاه متصل عبور داد تا زمانی که باتری کاملاً تخلیه شود [Q] یا
ظرفیت کل باتری از ظرفیت های کاتد و آند تشکیل می شود: آند چند الکترون می تواند بدهد و کاتد چند الکترون می تواند بپذیرد. طبیعتا ظرفیت کوچکتر از این دو محدود کننده خواهد بود.

ولتاژ - اختلاف پتانسیل. مشخصه انرژی، نشان می دهد که یک بار واحد هنگام حرکت از آند به کاتد چه انرژی آزاد می کند.

انرژی کاری است که می توان روی یک HIT معین انجام داد تا زمانی که به طور کامل تخلیه شود [J] یا
توان - میزان انرژی خروجی یا کار در واحد زمان
دوام یا راندمان کولن- چند درصد از ظرفیت به طور جبران ناپذیری در طول چرخه شارژ-تخلیه از دست می رود.

همه ویژگی‌ها به صورت تئوری پیش‌بینی می‌شوند، با این حال، به دلیل بسیاری از عوامل که در نظر گرفتن آنها دشوار است، بیشتر ویژگی‌ها به صورت تجربی پالایش می‌شوند. بنابراین همه آنها را می توان برای حالت ایده آل بر اساس شیمی پیش بینی کرد، اما ساختار کلان تأثیر زیادی بر ظرفیت و قدرت و دوام دارد.

بنابراین دوام و ظرفیت تا حد زیادی به نرخ شارژ / دشارژ و ساختار کلان الکترود بستگی دارد.
بنابراین، باتری نه با یک پارامتر، بلکه با یک مجموعه کامل مشخص می شود حالت های مختلف. برای مثال، ولتاژ باتری (انرژی انتقال شارژ واحد**) را می توان به عنوان اولین تقریب (در مرحله چشم انداز مواد) از مقادیر تخمین زد. انرژی های یونیزاسیوناتم های مواد فعال در طول اکسیداسیون و احیا. اما ارزش واقعی تفاوت در شیمی است. پتانسیل هایی که برای اندازه گیری آنها و همچنین برای گرفتن منحنی های شارژ / تخلیه، یک سلول آزمایشی با یک الکترود آزمایشی و یک مرجع مونتاژ می شود.

برای الکترولیت ها محلول آبیبا استفاده از الکترود هیدروژن استاندارد برای لیتیوم یون - لیتیوم فلزی.

*انرژی یونیزاسیون انرژی است که باید به الکترون داده شود تا پیوند بین آن و اتم شکسته شود. یعنی با علامت مخالف، انرژی پیوند را نشان می دهد و سیستم همیشه به دنبال به حداقل رساندن انرژی پیوند است.
** انرژی تک انتقال - انتقال انرژی با یک بار اولیه 1.6e-19[Q]*1[V]=1.6e-19[J] یا 1eV (الکترونولت)

باتری های لیتیوم یونی

<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.
همانطور که قبلا ذکر شد، در باتری های لیتیوم یون، الکترولیت به طور مستقیم در واکنش شرکت نمی کند. دو واکنش اصلی در کجا انجام می شود: اکسیداسیون و کاهش، و چگونه تعادل بار برابر می شود؟
این واکنش ها مستقیماً بین لیتیوم در آند و اتم فلز در ساختار کاتد رخ می دهد. همانطور که در بالا ذکر شد، ظاهر باتری های لیتیوم یون فقط کشف اتصالات جدید برای الکترودها نیست، بلکه کشف یک اصل جدید در عملکرد CIT است:
الکترونی که ضعیف به آند متصل است در امتداد رسانای خارجی به کاتد می گریزد.
در کاتد، الکترون به مدار فلز می افتد و الکترون چهارم را که عملاً توسط اکسیژن از آن جدا شده است، جبران می کند. اکنون الکترون فلزی در نهایت به اکسیژن می‌پیوندد و میدان الکتریکی حاصل، یون لیتیوم را به شکاف بین لایه‌های اکسیژن می‌کشد. بنابراین، انرژی عظیم باتری های لیتیوم یونی با بازیابی 1،2 الکترون خارجی، بلکه با بازیابی الکترون های "عمیق" تر به دست می آید. به عنوان مثال، برای کوبولت، الکترون چهارم.
یون های لیتیوم در کاتد به دلیل برهمکنش ضعیف حدود 10 کیلوژول بر مول (واندروالس) با ابرهای الکترونی اتم های اکسیژن اطرافشان (قرمز) باقی می مانند.

لی سومین عنصر در است، دارای وزن اتمی کم و اندازه کوچک است. با توجه به این واقعیت که لیتیوم شروع می شود و علاوه بر این، فقط ردیف دوم است، اندازه اتم خنثی بسیار بزرگ است، در حالی که اندازه یون بسیار کوچک است، کوچکتر از اندازه اتم های هلیوم و هیدروژن، که باعث می شود عملا در طرح LIB ضروری است. یکی دیگر از پیامدهای بالا: الکترون خارجی (2s1) پیوند ناچیزی با هسته دارد و به راحتی می تواند از بین برود (این در این واقعیت بیان می شود که لیتیوم دارای کمترین پتانسیل نسبت به الکترود هیدروژن P=-3.04V است).

اجزای اصلی LIB

الکترولیت

برخلاف باتری‌های سنتی، الکترولیت همراه با جداکننده مستقیماً در واکنش شرکت نمی‌کند، بلکه تنها انتقال یون‌های لیتیوم را فراهم می‌کند و اجازه انتقال الکترون را نمی‌دهد.
الزامات الکترولیت:
- هدایت یونی خوب
- الکترونیکی پایین
- کم هزینه
- سبک وزن
- غیر سمی بودن
- قابلیت کار در محدوده ولتاژ و دمای تنظیم شده
- جلوگیری از تغییرات ساختاری در الکترودها (جلوگیری از کاهش ظرفیت)
در این بررسی، به شما این امکان را می دهم که موضوع الکترولیت ها را که از نظر فنی پیچیده است، اما برای موضوع ما چندان مهم نیست، دور بزنید. محلول LiFP 6 عمدتاً به عنوان الکترولیت استفاده می شود
اگرچه اعتقاد بر این است که یک الکترولیت با جداکننده یک عایق مطلق است، اما در واقعیت اینطور نیست:
در سلول های یون لیتیوم، پدیده خود تخلیه وجود دارد. آن ها یون لیتیوم با الکترون ها از طریق الکترولیت به کاتد می رسد. بنابراین لازم است در صورت نگهداری طولانی مدت باتری تا حدی شارژ نگه داشته شود.
با وقفه های طولانی در کار، پدیده پیری نیز رخ می دهد، زمانی که گروه های جداگانه از یک یون لیتیوم اشباع یکنواخت جدا می شوند، یکنواختی غلظت را نقض می کنند و در نتیجه ظرفیت کلی را کاهش می دهند. بنابراین، هنگام خرید باتری، باید تاریخ عرضه را بررسی کنید

آندها

آندها الکترودهایی هستند که پیوند ضعیفی دارند، هم با یون لیتیوم مهمان و هم با الکترون مربوطه. در حال حاضر رونقی در توسعه انواع محلول های آند برای باتری های لیتیوم یون وجود دارد.
الزامات آندها

• رسانایی الکترونیکی و یونی بالا (فرایند ادغام / استخراج سریع لیتیوم)
• ولتاژ پایین با الکترود تست (Li)
• ظرفیت خاص بزرگ
• پایداری بالای ساختار آند در حین وارد کردن و استخراج لیتیوم که مسئول کولن است.

روش های بهبود:

• ساختار کلان ساختار ماده آند را تغییر دهید
• تخلخل ماده را کاهش دهید
• مواد جدید را انتخاب کنید
• از مواد مخلوط استفاده کنید
• بهبود خواص مرز فاز با الکترولیت.

به طور کلی می توان آندهای LIB را با توجه به نحوه قرارگیری لیتیوم در ساختار آن به 3 گروه تقسیم کرد:

آندها میزبان هستند. گرافیت

تقریباً همه از دوران دبیرستان به یاد دارند که کربن به شکل جامد در دو ساختار اصلی وجود دارد - گرافیت و الماس. تفاوت در خواص این دو ماده قابل توجه است: یکی شفاف است، دیگری نه. یکی از عایق ها هادی دیگری است، یکی شیشه را برش می دهد، دیگری به کاغذ مالیده می شود. دلیل آن ماهیت متفاوت فعل و انفعالات بین اتمی است.
الماس یک ساختار کریستالی است که در آن پیوندهای بین اتمی به دلیل هیبریداسیون sp3 تشکیل می شود، یعنی همه پیوندها یکسان هستند - هر سه 4 الکترون با اتم دیگری پیوند σ تشکیل می دهند.
گرافیت با هیبریداسیون sp2 که ساختار لایه ای را دیکته می کند و پیوند ضعیف بین لایه ها تشکیل می شود. وجود یک پیوند π کووالانسی شناور، کربن گرافیت را به یک رسانای عالی تبدیل می کند
گرافیت اولین و امروزه ماده اصلی آند است که دارای مزایای بسیاری است.
هدایت الکترونیکی بالا
هدایت یونی بالا
تغییر شکل های حجمی کوچک در هنگام معرفی اتم های لیتیوم
کم هزینه
اولین گرافیت به عنوان ماده آند در سال 1982 توسط S.Basu پیشنهاد شد و در سال 1985 توسط A. Yoshino به سلول یون لیتیوم معرفی شد.
در ابتدا گرافیت به شکل طبیعی در الکترود مورد استفاده قرار گرفت و ظرفیت آن تنها به 200 میلی آمپر بر گرم رسید. منبع اصلی افزایش ظرفیت، بهبود کیفیت گرافیت (بهبود ساختار و تصفیه از ناخالصی ها) بود. واقعیت این است که خواص گرافیت بسته به ساختار درشت آن به طور قابل توجهی متفاوت است و وجود بسیاری از دانه های ناهمسانگرد در ساختار، با جهت گیری متفاوت، به طور قابل توجهی خواص انتشار ماده را بدتر می کند. مهندسان سعی کردند درجه گرافیت شدن را افزایش دهند، اما افزایش آن منجر به تجزیه الکترولیت شد. اولین راه حل استفاده از کربن خرد شده با گرافیت کم مخلوط با الکترولیت بود که ظرفیت آند را به 280 میلی آمپر ساعت بر گرم افزایش داد (این فناوری هنوز هم به طور گسترده استفاده می شود) این مشکل در سال 1998 با وارد کردن افزودنی های ویژه به الکترولیت غلبه شد که یک محافظ ایجاد می کند. لایه در چرخه اول (از این پس به عنوان رابط الکترولیت جامد SEI نامیده می شود) که از تجزیه بیشتر الکترولیت جلوگیری می کند و امکان استفاده از گرافیت مصنوعی 320 میلی آمپر ساعت بر گرم را فراهم می کند. در حال حاضر ظرفیت آند گرافیت به 360 میلی آمپر بر گرم رسیده است و ظرفیت کل الکترود 345 میلی آمپر بر گرم و 476 آمپر ساعت در لیتر است.

واکنش: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

ساختار گرافیت قادر است حداکثر 1 اتم لیتیوم را در هر 6 درجه سانتیگراد بپذیرد، بنابراین حداکثر ظرفیت قابل دستیابی 372 میلی آمپر ساعت در گرم است (این یک رقم نظری به اندازه یک رقم معمول نیست، زیرا در اینجا نادرترین مورد است. چیزی واقعی فراتر از حد تئوری است، زیرا در عمل یون های لیتیوم را می توان نه تنها در داخل سلول ها، بلکه بر روی شکستگی دانه های گرافیت نیز قرار داد)
از سال 1991 الکترود گرافیتی دستخوش تغییرات زیادی شده است و در برخی خصوصیات به نظر می رسد به عنوان یک ماده مستقل، به سقف خود رسیده است. زمینه اصلی برای بهبود، افزایش قدرت است، یعنی. میزان دشارژ/شارژ باتری وظیفه افزایش قدرت به طور همزمان افزایش دوام است، زیرا تخلیه / شارژ سریع آند منجر به تخریب ساختار گرافیت توسط یون های لیتیوم "کشیده شده" از طریق آن می شود. علاوه بر تکنیک های استاندارد برای افزایش توان، که معمولاً به افزایش نسبت سطح به حجم ختم می شود، لازم است به بررسی خواص انتشار تک بلور گرافیت در جهات مختلف شبکه کریستالی توجه شود که نشان می دهد سرعت انتشار لیتیوم می تواند 10 مرتبه قدر متفاوت باشد.

ک.س. نووسلوف و A.K. Geim - برندگان جایزه نوبل فیزیک 2010 پیشگامان استفاده مستقل از گرافن
آزمایشگاه بل ایالات متحده آمریکا ثبت اختراع 4,423,125
صنعت شیمیایی آساهی ثبت اختراع ژاپن 1989293
Ube Industries Ltd. ثبت اختراع ایالات متحده 6,033,809
ماساکی یوشیو، آکیا کوزاوا و رالف جی. براد. علم و فناوری باتری های لیتیوم یونی Springer 2009.
انتشار لیتیوم در کربن گرافیتی کریستین پرسون at.al. فیزیک شیمی. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
خواص ساختاری و الکترونیکی گرافیت لیتیومی LiC6، K. R. Kganyago، P. E. Ngoep Phis. بررسی 2003.
ماده فعال برای الکترود منفی مورد استفاده در باتری لیتیوم یون و روش ساخت آن. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923.908 2003
تأثیر چگالی الکترود بر عملکرد سیکل و از دست دادن ظرفیت غیرقابل برگشت برای آند گرافیت طبیعی در باتری‌های لیتیوم یونی. جونگپیو شیم و کاترین ا. استریبل

آند قلع و شرکت آلیاژها

تا به امروز، یکی از امیدوارکننده ترین آندها از عناصر گروه چهاردهم جدول تناوبی هستند. حتی 30 سال پیش، توانایی قلع (Sn) برای تشکیل آلیاژ (محلول های بینابینی) با لیتیوم به خوبی مورد مطالعه قرار گرفت. در سال 1995 بود که فوجی یک ماده آند مبتنی بر قلع را اعلام کرد (به عنوان مثال مراجعه کنید).
منطقی بود که انتظار داشت عناصر سبک تر همان گروه دارای خواص یکسانی باشند و در واقع سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) الگوی پذیرش لیتیوم یکسانی را نشان می دهند.
Li 22 Sn 5، Li 22 Ge 5، Li 15 Si 4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
مشکل اصلی و کلی در استفاده از این گروه از مواد، تغییر شکل‌های حجمی عظیم از 357% تا 400% پس از اشباع با لیتیوم (در حین شارژ) است که منجر به تلفات زیادی در ظرفیت به دلیل از دست دادن تماس با جریان می‌شود. جمع کننده توسط بخشی از مواد آند.

شاید مفصل ترین عنصر این گروه قلع باشد:
به عنوان سنگین ترین، راه حل های سنگین تری ارائه می دهد: حداکثر ظرفیت نظری چنین آندی 960 میلی آمپر بر گرم است، اما فشرده (7000 Ah/l -1960Ah/l*) با این وجود 3 و 8 (2.7*) برابر از آندهای کربن سنتی پیشی می گیرد. ، به ترتیب.
امیدوارکننده ترین آندهای مبتنی بر سیلیکون هستند که از نظر تئوری (4200 mAh/g ~ 3590mAh/g) بیش از 10 برابر سبک تر و 11 (3.14*) بار فشرده تر (9340 Ah/l ~ 2440 Ah/l*) از گرافیت هستند. آندها
Si دارای رسانایی الکترونیکی و یونی کافی نیست، که ما را مجبور می کند به دنبال ابزار اضافی برای افزایش توان آند باشیم.
جنرال الکتریک، ژرمانیوم به اندازه Sn و Si ذکر نشده است، اما به عنوان متوسط، دارای ظرفیت بزرگ (1600 میلی آمپر ساعت در گرم ~ 2200 * Ah / L) و رسانایی یونی 400 برابر بالاتر از Si است که می تواند از هزینه بالای آن بیشتر باشد. ایجاد مهندسی برق با توان بالا

در کنار تغییر شکل های حجمی زیاد، مشکل دیگری نیز وجود دارد:
کاهش ظرفیت در سیکل اول به دلیل واکنش برگشت ناپذیر لیتیوم با اکسیدها

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

هر کدام بزرگتر باشند، تماس الکترود با هوا بیشتر است (مساحت سطح بیشتر است، یعنی ساختار ریزتر)
طرح های زیادی توسعه یافته اند که به یک درجه یا دیگری امکان استفاده از پتانسیل عالی این ترکیبات را می دهد و معایب را هموار می کند. با این حال، و همچنین مزایای:
همه این مواد در حال حاضر در آندهای ترکیبی با گرافیت استفاده می شوند و ویژگی های آنها را 20-30٪ افزایش می دهند.

* مقادیر مشخص شده، توسط نویسنده تصحیح شده است، زیرا ارقام رایج افزایش قابل توجهی در حجم را در نظر نمی گیرند و با مقدار چگالی ماده فعال (قبل از اشباع شدن با لیتیوم) عمل می کنند، و بنابراین منعکس کننده وضعیت واقعی امور اصلا

جوماس، ژان کلود، لیپنس، پیر امانوئل، اولیویه فورکاد، ژوزت، رابرت، فلورنت ویلمان، پاتریک 2008
درخواست ثبت اختراع ایالات متحده 20080003502.
شیمی و ساختار Nexelion سونی
مواد الکترود لیتیوم یون
جی. ولفنستین، جی.ال. آلن،
J. Read و D. Foster
آزمایشگاه تحقیقات ارتش 2006.

الکترودها برای باتری های لیتیوم یونی - راهی جدید برای نگاه کردن به یک مشکل قدیمی
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

تحولات موجود

تمام راه‌حل‌های موجود برای مشکل تغییر شکل‌های آند بزرگ از یک ملاحظات واحد نشأت می‌گیرد: در حین انبساط، علت تنش‌های مکانیکی ماهیت یکپارچه سیستم است: شکستن الکترود یکپارچه به بسیاری از ساختارهای کوچک‌تر ممکن، که به آنها اجازه می‌دهد مستقل از هر کدام منبسط شوند. دیگر.
اولین و واضح ترین روش، آسیاب ساده یک ماده با استفاده از نوعی نگهدارنده است که از ترکیب شدن ذرات به ذرات بزرگتر و همچنین اشباع مخلوط حاصل با عوامل رسانای الکترون جلوگیری می کند. راه حل مشابهی را می توان در تکامل الکترودهای گرافیتی ردیابی کرد. این روش باعث شد تا با افزایش ظرفیت (اعم از حجم و جرم) آند به میزان ~ 10- تا آشکار شدن کامل پتانسیل مواد مورد نظر، پیشرفت هایی در افزایش ظرفیت آندها حاصل شود. 30٪ (400 -550 میلی آمپر بر گرم) در قدرت کم
یک روش نسبتاً اولیه برای معرفی ذرات قلع با اندازه نانو (با الکترولیز) بر روی سطح کره های گرافیتی،
یک رویکرد مبتکرانه و ساده برای حل این مشکل، ایجاد یک باتری کارآمد با استفاده از پودر صنعتی معمولی 1668 Ah/l را ممکن کرد.
گام بعدی انتقال از میکروذرات به نانوذرات بود: باتری‌های فوق مدرن و نمونه‌های اولیه آنها ساختارهای ماده را در مقیاس نانومتری در نظر گرفته و تشکیل می‌دهند که امکان افزایش ظرفیت تا 500 -600 میلی‌آمپر ساعت در گرم (~ 600 Ah / l *) با دوام قابل قبول

یکی از بسیاری از انواع نویدبخش نانوساختارها در الکترودها، به اصطلاح است. پیکربندی پوسته هسته، که در آن هسته یک توپ با قطر کوچک از ماده کار است، و پوسته به عنوان یک "غشاء" عمل می کند که از شکستن ذرات جلوگیری می کند و ارتباط الکترونیکی با محیط را فراهم می کند. استفاده از مس به عنوان پوسته برای نانوذرات قلع، نتایج چشمگیری را نشان داد که ظرفیت بالایی (800 میلی آمپر ساعت در گرم - 540 میلی آمپر ساعت بر گرم *) را در بسیاری از چرخه ها و همچنین در جریان های شارژ / دشارژ بالا نشان داد. در مقایسه با پوسته کربن (600 mAh/g) برای Si-C مشابه است.

همانطور که اشاره شد، برای کاهش اثرات مضر انبساط شدید ماده کار نیاز به فراهم کردن فضایی برای انبساط دارد.
در سال گذشته، محققان پیشرفت چشمگیری در ایجاد نانوساختارهای قابل اجرا داشته اند: نانومیله ها
Jaephil Cho با استفاده از ساختار سیلیکونی متخلخل به توان کم 2800 میلی آمپر ساعت در 100 سیکل و 2600 → 2400 در توان بالاتر می رسد.
و همچنین نانوالیاف Si پایدار با یک لایه گرافیت 40 نانومتری پوشش داده شده است، که 3400 → 2750 mAh/g (عمل در VA) را پس از 200 چرخه نشان می دهد.
یان یائو و همکاران استفاده از Si به شکل گوی‌های توخالی را پیشنهاد می‌کنند که به دوام شگفت‌انگیزی دست می‌یابد: ظرفیت اولیه 2725 mah/g (و فقط 336 Ah/l (*)) با کاهش ظرفیت پس از 700 چرخه کمتر از 50 %

در سپتامبر 2011، دانشمندان آزمایشگاه برکلی ایجاد یک ژل رسانای الکترون پایدار را اعلام کردند.
که می تواند انقلابی در استفاده از مواد سیلیکونی ایجاد کند. اهمیت این اختراع را نمی توان بیش از حد تخمین زد: ژل جدید می تواند همزمان به عنوان نگهدارنده و رسانا عمل کند و از اتصال نانوذرات و از دست رفتن تماس جلوگیری کند. امکان استفاده از پودرهای صنعتی ارزان قیمت را به عنوان ماده فعال فراهم می کند و به گفته سازندگان، از نظر قیمت با نگهدارنده های سنتی قابل مقایسه است. الکترود ساخته شده از مواد صنعتی (نانوپودر Si) 1360 میلی آمپر بر گرم پایدار و 2100 Ah/l بسیار بالا (*) می دهد.

*- برآورد ظرفیت واقعی محاسبه شده توسط نویسنده (به پیوست مراجعه کنید)
ام‌اس. فاستر، سی.ای. Crouthamel، S.E. وود، جی. فیزیک. شیمی، 1966
جوماس، ژان کلود، لیپنس، پیر امانوئل، اولیویه فورکاد، ژوزت، رابرت، فلورنت ویلمان، پاتریک 2008 درخواست ثبت اختراع ایالات متحده 20080003502.
شیمی و ساختار مواد الکترود Li-ion Nexelion سونی J. Wolfenstine، J. L. Allen، J. Read و D. Foster Army Laboratory Research 2006.
آندهای باتری لیتیوم یونی با ظرفیت بالا با استفاده از نانوسیم‌های جنرال الکتریک
آسیاب گلوله ای مواد آند کامپوزیت گرافیت/قلع در محیط مایع. Ke Wang 2007.
ترکیبات قلع بدون الکترولیت روی مخلوط کربنی به عنوان آند برای باتری لیتیوم یون مجله منابع قدرت 2009.
تاثیر پوسته کربن بر آند کامپوزیت Sn-C برای باتری های لیتیوم یون کیانو رن و همکاران Ionics 2010.
رمان Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. باتری های تهیه شده توسط اکسیداسیون و کاهش فلزات واکنش نشان می دهند. مواد پیشرفته. 2010
هسته دو پوسته [ایمیل محافظت شده]نانوکامپوزیت های C به عنوان مواد آندی برای باتری های لیتیوم یونی Liwei Su et al. ChemCom 2010.
پلیمرها با ساختار الکترونیکی مناسب برای الکترودهای باتری لیتیومی با ظرفیت بالا Gao Liu et al. Adv. مهم است. 2011، 23، 4679-4683
نانوکره های توخالی سیلیکونی به هم پیوسته برای آندهای باتری لیتیوم یونی با عمر چرخه طولانی. یان یائو و همکاران Nano Letters 2011.
مواد آند سی متخلخل برای باتری های قابل شارژ لیتیوم، Jaephil Cho. جی. ماتر. شیمی، 2010، 20، 4009-4014
الکترودها برای باتری‌های لیتیوم یونی - راهی جدید برای نگاه کردن به یک مشکل قدیمی مجله انجمن الکتروشیمیایی، 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
ACCUMULATEURS FIXES، ثبت اختراع ایالات متحده 8062556 2006

کاربرد

موارد خاص سازه های الکترودی:

برآورد ظرفیت واقعی نانوذرات قلع پوشش داده شده با مس [ایمیل محافظت شده]

از مقاله، نسبت حجمی ذرات 1 به 3 متر است




0.52 ضریب بسته بندی پودر است. بر این اساس، بقیه حجم پشت نگهدارنده 0.48 است

نانوکره ها نسبت بسته بندی
ظرفیت حجمی کم داده شده برای نانوکره ها به دلیل توخالی بودن کره ها در داخل است و بنابراین نسبت بسته بندی ماده فعال بسیار پایین است.

حتی آن را 0.1 خواهد بود، برای مقایسه برای یک پودر ساده - 0.5...07

تبادل آندهای واکنش اکسیدهای فلزی

گروه امیدوار کننده بدون شک شامل اکسیدهای فلزی مانند Fe 2 O 3 نیز می شود. این مواد با داشتن ظرفیت تئوری بالا، نیاز به راه حل هایی برای افزایش گسستگی ماده فعال الکترود نیز دارند. در این زمینه، نانوساختار مهمی مانند نانوالیاف در اینجا مورد توجه قرار خواهد گرفت.
اکسیدها راه سومی را برای گنجاندن و حذف لیتیوم در ساختار الکترود نشان می دهند. اگر در گرافیت، لیتیوم عمدتاً بین لایه‌های گرافن قرار دارد، در محلول‌هایی با سیلیکون، به شبکه کریستالی آن وارد می‌شود، در اینجا «تبادل اکسیژن» بین فلز «اصلی» الکترود و مهمان - لیتیوم اتفاق می‌افتد. آرایه‌ای از اکسید لیتیوم در الکترود تشکیل می‌شود و فلز پایه به نانوذرات داخل ماتریس آغشته می‌شود (برای مثال، واکنش با اکسید مولیبدن را در شکل ببینید. MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li 2 O+Mo)
این ماهیت تعامل دلالت بر نیاز به حرکت آسان یون‌های فلزی در ساختار الکترود دارد. انتشار بالا، که به معنای انتقال به ذرات ریز و نانوساختارها است

با صحبت در مورد مورفولوژی مختلف آند، روش های ارائه ارتباطات الکترونیکی، علاوه بر روش سنتی (پودر فعال، پودر گرافیت + نگهدارنده)، سایر اشکال گرافیت به عنوان یک عامل رسانا نیز قابل تشخیص است:
یک رویکرد رایج ترکیبی از گرافن و ماده اصلی است، زمانی که نانوذرات را می توان مستقیماً روی "ورق" گرافن قرار داد و به نوبه خود به عنوان رسانا و بافر در طول انبساط ماده کاری عمل می کند. این ساختار برای Co 3 O 4 778 mAh / g پیشنهاد شد و کاملاً بادوام است. مشابه 1100 mAh / g برای Fe 2 O 3
اما با توجه به چگالی بسیار کم گرافن، حتی ارزیابی اینکه چنین راه حل هایی تا چه حد قابل اجرا هستند دشوار است.
راه دیگر استفاده از نانولوله های گرافیتی A.C است. دیلون و همکاران آزمایش با MoO 3 ظرفیت بالای 800 mAh/g (600mAh/g* 1430 Ah/l*) را با 5 درصد وزنی از دست دادن ظرفیت نگهدارنده پس از 50 دوره پوشش دهی با اکسید آلومینیوم و همچنین با Fe 3 O 4 بدون استفاده نشان می دهد. یک نگهدارنده پایدار 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l*) شکل. سمت راست: تصویر SEM از نانوالیاف آند / Fe 2 O 3 با لوله های نازک گرافیت 5 درصد وزنی (سفید)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 2 O+xM

چند کلمه در مورد نانوالیاف

اخیراً، نانوالیاف یکی از موضوعات داغ برای انتشار در نشریات علم مواد، به ویژه آنهایی که به باتری‌های امیدوارکننده اختصاص داده شده‌اند، بوده‌اند، زیرا سطح فعال بزرگی را با جفت شدن خوب بین ذرات فراهم می‌کنند.
در ابتدا از نانوالیاف به عنوان نوعی نانوذرات ماده فعال استفاده می شد که در مخلوطی همگن با نگهدارنده و عوامل رسانا، الکترود را تشکیل می دهند.
مسئله چگالی بسته بندی نانوالیاف بسیار پیچیده است، زیرا به عوامل زیادی بستگی دارد. و ظاهراً عمداً عملاً روشن نشده است (مخصوصاً در رابطه با الکترودها). این در حال حاضر تجزیه و تحلیل شاخص های واقعی کل آند را دشوار می کند. برای تشکیل یک تخمین، نویسنده جرأت کرد از کار R. E. Muck که به تجزیه و تحلیل تراکم یونجه در پناهگاه‌ها اختصاص داشت استفاده کند. با قضاوت بر اساس تصاویر SEM نانوالیاف، یک تحلیل خوش بینانه از چگالی بسته بندی 30-40٪ خواهد بود.
در 5 سال گذشته، توجه بیشتری بر روی سنتز نانوالیاف به طور مستقیم بر روی کلکتور فعلی متمرکز شده است که دارای تعدادی مزایای جدی است:
تماس مستقیم ماده کار با کلکتور جریان تضمین می شود، تماس با جریان الکتریکی بهبود می یابد و نیاز به افزودنی های گرافیت حذف می شود. چندین مرحله از تولید دور می زند، چگالی بسته بندی ماده کار به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
K. Chan و همکاران با آزمایش نانوالیاف ژنرال الکتریک 1000mAh/g (800Ah/l) برای توان کم و 800→550 (650→450Ah/l*) در دمای 2C پس از 50 سیکل به دست آوردند. در همان زمان، Yanguang Li و نویسندگان ظرفیت بالا و قدرت عظیم Co 3 O 4 را نشان دادند: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640Ah / L *) پس از 20 چرخه و 600 mAh / g (480 Ah / L *). ) در 20 برابر افزایش جریان

آثار الهام‌بخش A. Belcher** که اولین گام‌های ورود به عصر جدید بیوتکنولوژی است، باید مورد توجه قرار گیرد و برای آشنایی به همگان توصیه شود.
A. Belcher با اصلاح ویروس باکتریوفاژ موفق به ساخت نانوالیاف بر اساس آن در دمای اتاق و به دلیل یک فرآیند بیولوژیکی طبیعی شد. با توجه به شفافیت ساختاری بالای چنین الیافی، الکترودهای حاصل نه تنها برای آنها بی ضرر هستند محیط، بلکه هم فشرده بودن بسته فیبر و هم عملکرد قابل توجهی بادوام را نشان می دهد.

*- برآورد ظرفیت واقعی محاسبه شده توسط نویسنده (به پیوست مراجعه کنید)
**
آنجلا بلچر یک دانشمند برجسته (شیمیدان، الکتروشیمیدان، میکروبیولوژیست) است. مخترع سنتز نانوالیاف و سفارش آنها به الکترودها از طریق کشت های ویروسی پرورش یافته ویژه
(مصاحبه را ببینید)

کاربرد

همانطور که گفته شد بار آند از طریق واکنش اتفاق می افتد

من در ادبیات نشانه هایی از نرخ واقعی انبساط الکترود در طول شارژ پیدا نکردم، بنابراین پیشنهاد می کنم آنها را با کوچکترین تغییرات ممکن ارزیابی کنم. یعنی با توجه به نسبت حجم مولی واکنش دهنده ها و محصولات واکنش (V Lihitated - حجم آند باردار، V UnLihitated - حجم آند تخلیه شده)، چگالی فلزات و اکسیدهای آنها را می توان به راحتی پیدا کرد. در منابع باز

فرمول های محاسباتی	مثال محاسبه برای MoO 3

باید در نظر داشت که ظرفیت حجمی حاصل ظرفیت یک ماده فعال پیوسته است، بنابراین، بسته به نوع ساختار، ماده فعال نسبت متفاوتی از حجم کل ماده را اشغال می کند، این مورد در نظر گرفته می شود. هنگام معرفی فاکتور بسته بندی k p . به عنوان مثال، برای پودر 50-70٪ است.

آند هیبریدی Co3O4/گرافن بسیار برگشت پذیر برای باتری های لیتیومی قابل شارژ. اچ کیم و همکاران CARBON 49 (2011) 326-332
کامپوزیت اکسید گرافن کاهش‌یافته/Fe2O3 نانوساختار به عنوان یک ماده آند با کارایی بالا برای باتری‌های لیتیوم یونی. ACSNANO VOL. 4 ▪ خیر. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
آندهای اکسید فلزی نانوساختار. A. C. Dillon. 2010
روشی جدید برای نگاه کردن به تراکم سیلو پناهگاه. R. E. Muck. مرکز تحقیقات علوفه لبنی ایالات متحده مدیسون، مدیسون WI
آندهای باتری لیتیوم یونی با ظرفیت بالا با استفاده از نانوسیم‌های جنرال الکتریک K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8، نه 1 307-309
آرایه‌های نانوسیم Co3O4 مزوپور برای باتری‌های لیتیوم یونی با ظرفیت و قابلیت نرخ بالا. یانگوانگ لی و. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8، نه 1 265-270
سنتز و مونتاژ نانوسیم‌ها با استفاده از ویروس برای الکترودهای باتری لیتیوم یون Ki Tae Nam، Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 آوریل 2006 / صفحه 1 / 10.1126/science.112271
آند سیلیکونی فعال با ویروس برای باتری های لیتیوم یونی. شیلین چن و همکاران ACS Nano، 2010، 4 (9)، صفحات 5366-5372.
داربست ویروسی برای MIT باتری لیتیومی سبک، انعطاف‌پذیر و سبک، Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

لیتیوم یون HIT. کاتدها

کاتدهای باتری‌های لیتیوم یونی عمدتاً باید بتوانند یون‌های لیتیوم را بپذیرند و ولتاژ بالا و در نتیجه انرژی زیادی همراه با ظرفیت ارائه کنند.

وضعیت جالبی در زمینه توسعه و تولید کاتد باتری Li-Ion ایجاد شده است. در سال 1979، جان گودناف و میزوچیما کویچی کاتدهای لایه ای LiMO2 را برای باتری های لیتیوم یونی که تقریباً تمام کاتدهای باتری لیتیوم یون موجود را پوشش می دهد، به ثبت رساندند.
عناصر کلیدی کاتد
اکسیژن، به عنوان یک پیوند، یک پل، و همچنین لیتیوم "گرفتن" با ابرهای الکترونی آن.
یک فلز واسطه (یعنی فلزی با اوربیتال های ظرفیتی d)، زیرا می تواند ساختارهایی با تعداد پیوندهای متفاوتی را تشکیل دهد. اولین کاتدها از گوگرد TiS 2 استفاده می کردند، اما سپس به اکسیژن، عنصری فشرده تر و مهمتر از همه، الکترونگاتیو تر، روی آوردند و پیوند تقریباً کاملاً یونی با فلزات ایجاد کردند. ساختار لایه‌ای LiMO 2 (*) رایج‌ترین است و همه پیشرفت‌ها حول سه نامزد M=Co، Ni، Mn و دائماً به دنبال Fe بسیار ارزان هستند.

کبالتبرخلاف خیلی چیزها، الیمپوس را بلافاصله تسخیر کرد و هنوز هم آن را نگه داشته است (90 درصد کاتدها)، اما به دلیل پایداری و درستی بالای ساختار لایه ای از 140 میلی آمپر بر گرم، ظرفیت LiCoO 2 به 160-170 میلی آمپر بر گرم افزایش یافت. ، به لطف گسترش دامنه ولتاژ. اما به دلیل نادر بودن آن در زمین، Co بسیار گران است و استفاده از آن به شکل خالص آن تنها در باتری های کوچک، به عنوان مثال، برای تلفن ها قابل توجیه است. 90 درصد بازار را اولین و در حال حاضر فشرده ترین کاتد اشغال کرده است.
نیکلماده امیدوارکننده‌ای است که 190 میلی‌آمپر بر گرم را نشان می‌دهد، اما پایداری بسیار کمتری دارد و چنین ساختار لایه‌ای در شکل خالص آن برای نیکل وجود ندارد. استخراج لیتیوم از LiNiO 2 تقریباً 2 برابر بیشتر از LiCoO 2 گرما تولید می کند که استفاده از آن در این زمینه را غیرقابل قبول می کند.
منگنز. ساختار دیگری که به خوبی مطالعه شده است، ساختاری است که در سال 1992 اختراع شد. ژان ماری تاراسکو، کاتد اسپینل اکسید منگنز LiMn 2 O 4: با ظرفیت کمی کمتر، این ماده بسیار ارزانتر از LiCoO 2 و LiNiO 2 است و بسیار قابل اعتمادتر است. امروزه مدل خوبی برای خودروهای هیبریدی است. پیشرفت های اخیر مربوط به آلیاژ نیکل با کبالت است که به طور قابل توجهی خواص ساختاری آن را بهبود می بخشد. هنگامی که Ni با Mg غیر فعال الکتروشیمیایی دوپ شد، بهبود قابل توجهی در پایداری نیز مشاهده شد: LiNi 1-y Mg y O2. آلیاژهای زیادی LiMn x O 2x برای کاتدهای Li-ion وجود دارد.
مشکل اساسی- نحوه افزایش ظرفیت قبلاً با قلع و سیلیکون دیده‌ایم که واضح‌ترین راه برای افزایش ظرفیت، حرکت در جدول تناوبی است، اما متأسفانه چیزی بالاتر از فلزات واسطه‌ای که در حال حاضر استفاده می‌شوند وجود ندارد (شکل سمت راست). بنابراین، تمام پیشرفت‌های سال‌های اخیر مربوط به کاتدها عموماً با رفع نواقص موجود همراه است: افزایش دوام، بهبود کیفیت، مطالعه ترکیبات آنها (شکل بالا در سمت چپ)
اهن. از آغاز دوران لیتیوم یون، تلاش های زیادی برای استفاده از آهن در کاتدها صورت گرفته است، اما همه آنها بی فایده است. اگرچه LiFeO 2 یک کاتد ارزان و قدرتمند ایده آل است، اما نشان داده شده است که نمی توان لی را از ساختار در محدوده ولتاژ معمولی استخراج کرد. وضعیت در سال 1997 با مطالعه خواص e/h Olivine LiFePO 4 به شدت تغییر کرد. ظرفیت بالا (170 میلی آمپر بر گرم) حدود 3.4 ولت با آند لیتیوم و بدون افت جدی ظرفیت حتی پس از چند صد چرخه. نقطه ضعف اصلی الیوین برای مدت طولانی رسانایی ضعیف بود که به طور قابل توجهی قدرت را محدود می کرد. برای رفع این وضعیت، حرکات کلاسیک (سابکاری با پوشش گرافیت) با استفاده از ژل با گرافیت انجام شد، امکان دستیابی به قدرت بالا در 120 میلی آمپر ساعت در گرم برای 800 سیکل وجود داشت. پیشرفت واقعاً عظیمی با دوپینگ ناچیز Nb حاصل شده است که رسانایی را تا 8 مرتبه بزرگی افزایش می دهد.
همه چیز نشان می دهد که الیوین به عظیم ترین ماده برای وسایل نقلیه الکتریکی تبدیل خواهد شد. برای در اختیار داشتن انحصاری حقوق LiFePO 4، A123 Systems Inc چندین سال است که شکایت کرده است. و Black & Decker Corp، بدون دلیل معتقدند که این آینده خودروهای الکتریکی است. تعجب نکنید، اما پتنت ها همه برای همان کاپیتان کاتدها ثبت شده اند - جان گودناف.
الیوین امکان استفاده از مواد ارزان قیمت را ثابت کرد و نوعی پلاتین را شکست. فکر مهندسی بلافاصله به فضای حاصل هجوم آورد. بنابراین، به عنوان مثال، جایگزینی سولفات ها با فلوروفسفات ها در حال حاضر به طور فعال مورد بحث قرار می گیرد، که ولتاژ را 0.8 ولت افزایش می دهد، یعنی. انرژی و توان را 22 درصد افزایش دهید.
خنده دار است: در حالی که مناقشه حقوق الیوین در جریان است، با بسیاری از تولیدکنندگان بدون نام مواجه شدم که عناصری را در کاتد جدید ارائه می کردند.

* همه این ترکیبات به طور پیوسته تنها همراه با لیتیوم وجود دارند. و بر این اساس، از قبل اشباع شده با آن ساخته شده است. بنابراین، هنگام خرید باتری های مبتنی بر آنها، ابتدا باید باتری را با تقطیر بخشی از لیتیوم به آند شارژ کنید.
** با درک توسعه کاتدهای باتری لیتیوم یون، شما به طور غیرارادی شروع به درک آن به عنوان دوئل بین دو غول می کنید: جان گودناف و ژان ماری تاراسکو. اگر گودناف اولین کاتد اساسی موفق خود را در سال 1980 ثبت اختراع کرد (LiCoO 2)، دکتر تراسکو دوازده سال بعد پاسخ داد (Mn 2 O 4 ). دومین دستاورد بنیادی آمریکایی در سال 1997 اتفاق افتاد (LiFePO 4) و در اواسط دهه گذشته، فرانسوی با معرفی LiFeSO 4 F این ایده را گسترش داد و در حال کار بر روی استفاده از الکترودهای کاملاً ارگانیک است.
گودناف، جی بی. میزوچیما، K.U.S. ثبت اختراع 4,302,518, 1980.
گودناف، جی بی. میزوشیما، K.U.S. ثبت اختراع 4,357,215, 1981.
علم و فناوری باتری های لیتیوم یونی. ماساکی یوشیو، رالف جی. براد، آکیا کوزاوا
روش تهیه ترکیبات بینابینی LiMn2 O4 و استفاده از آن در باتری های لیتیومی ثانویه. باربکس; فیلیپ شکوهی; Frough K., Tarascon; ژان ماری. Bell Communications Research Inc. اختراع 1992 ایالات متحده 5،135،732.

سلول الکتروشیمیایی قابل شارژ با کاتد استوکیومتری دی سولفید تیتانیوم ویتینگهام. ام. استنلی. ثبت اختراع ایالات متحده 4,084,046 1976
کانو، آر. شیرانه، تی. اینابا، ی. Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
باتری های لیتیومی و مواد کاتدی. M. Stanley Whittingham Chem. کشیش 2004، 104، 4271-4301
یک الکترود مثبت 3.6 ولتی مبتنی بر فلوروسولفات برای باتری های لیتیوم یون. N. Recham1، J-N. Chotard1، L. Dupont1، C. Delacourt1، W. Walker1،2، M. Armand1 و J-M. تاراسکون. مواد طبیعی نوامبر 2009.

کاربرد

ظرفیت کاتدها دوباره به عنوان حداکثر بار استخراج شده به ازای هر وزن یک ماده، به عنوان مثال یک گروه تعریف می شود.
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

به عنوان مثال، برای شرکت

با درجه استخراج Li x=0.5 ظرفیت ماده خواهد بود

بر این لحظهبهبود در فرآیند تولید باعث افزایش درجه استخراج و رسیدن به 160 میلی آمپر ساعت در گرم می شود.
اما، تا حد زیادی، اکثر پودرهای موجود در بازار به این ارقام نمی رسند.

دوران ارگانیک
در ابتدای بررسی، کاهش آلودگی را به عنوان یکی از عوامل محرک اصلی در گذار به خودروهای الکتریکی ذکر کردیم. اما برای مثال، مدرن را در نظر بگیرید خودروی هیبریدی: حتما میسوزه سوخت کمتر، اما در تولید باتری برای آن، 1 کیلووات ساعت تقریباً 387 کیلووات ساعت هیدروکربن می سوزاند. البته چنین خودرویی آلاینده های کمتری را منتشر می کند، اما هنوز در حین تولید گریزی از گازهای گلخانه ای وجود ندارد (70-100 کیلوگرم CO 2 در هر کیلووات ساعت). علاوه بر این، در یک جامعه مصرفی مدرن، کالاها تا زمانی که منابع آنها تمام نشده استفاده نمی شود. یعنی دوره "بازگشت" این وام انرژی کوتاه است و دفع باتری های مدرن گران است و در همه جا در دسترس نیست. بنابراین، بهره وری انرژی باتری های مدرنهنوز سوال برانگیز است
اخیراً چندین بیوتکنولوژی دلگرم کننده ظاهر شده است که امکان سنتز الکترودها را در دمای اتاق فراهم می کند. A. Belcher (ویروس ها)، J.M. تاراسکو (استفاده از باکتری).

یک نمونه عالی از چنین مواد زیستی امیدوارکننده ای، اکسو کربن لیتیزه شده - Li 2 C 6 O 6 (لیتیوم رادیسونات) است که با داشتن توانایی برگشت پذیری تا چهار لیتیوم در هر فرمول، ظرفیت وزنی زیادی را نشان می دهد، اما از آنجایی که کاهش همراه است. با پیوندهای پی، از نظر پتانسیل تا حدودی کوچکتر است (2.4 V). به طور مشابه، حلقه های معطر دیگر به عنوان پایه ای برای یک الکترود مثبت در نظر گرفته می شوند و همچنین کاهش قابل توجهی در باتری ها را گزارش می دهند.
اصلی ترین "مضرات" هر کدام ترکیبات آلیچگالی کم آنهاست، زیرا تمام شیمی آلی با عناصر سبک C، H، O و N سروکار دارد. برای درک اینکه چقدر این جهت امیدوار کننده است، کافی است بگوییم که این مواد را می توان از سیب و ذرت به دست آورد و همچنین به راحتی قابل بازیافت و بازیافت است.
تابش لیتیوم در حال حاضر امیدوار کننده ترین کاتد برای صنعت خودرو در نظر گرفته می شود، اگر نه برای چگالی جریان محدود (قدرت) و امیدوارکننده ترین کاتد برای الکترونیک قابل حمل، اگر نه برای چگالی کم مواد (ظرفیت حجم کم) (شکل 2). ترک کرد). در این میان، این هنوز تنها یکی از امیدوار کننده ترین جبهه های کار است

دستگاه های تلفن همراه

افزودن برچسب

باتری "کوانتومی".

از 26 تا 28 فوریه، توکیو میزبان نمایش درایو است که شرکت میکرونیکس ژاپن و سایرین در آن حضور دارند. با مسئولیت محدود اطلاعات کمی در مورد پیشرفت های قبلی او وجود دارد، اما اخیراً او اعلام کرد که نوع جدیدی از باتری لایه ای را توسعه داده و برای تولید آماده کرده است. تک سلولی که توسط این شرکت نشان داده شده است یک فیلم ساختاری فلزی-اکسید-نیمه هادی نوع n است که از دی اکسید تیتانیوم، دی اکسید قلع و ذرات اکسید روی استفاده می کند که با یک فیلم عایق پوشانده شده اند. نمونه اولیه از یک ورق استفاده می کند از فولاد ضد زنگضخامت 10 میکرون اما به زودی با آلومینیوم جایگزین می شود.

توسعه دهندگان کوانتومی باتری خود را برای تأکید بر ماهیت فیزیکی و نه شیمیایی آن نامگذاری کردند. اگرچه از الکترون به جای یون برای ذخیره انرژی استفاده می کند، این باتری در اصل با خازن ها متفاوت است. گفته می شود که این سیستم مبتنی بر ذخیره الکترون ها در "گپ باند" نیمه هادی است.

در تولید سازه های فلزی- اکسیدی- نیمه هادی، لایه شارژ آکومولاتور با نور ماوراء بنفش تابش می شود. پس از ساخت، هنگام شارژ، الکترون ها سطوح انرژی آزاد را در ماده کار می گیرند و تا زمانی که باتری نیاز به تخلیه داشته باشد، در آنجا ذخیره می شوند. نتیجه باتری های قابل شارژ با تراکم ذخیره انرژی بسیار بالا است.
مشخص نیست نمونه‌های آزمایشی چه عملکردی دارند، اما سازنده ادعا می‌کند که نمونه‌های تولیدی که در آینده نزدیک ظاهر می‌شوند، ظرفیتی تا 500 وات بر لیتر خواهند داشت و در عین حال می‌توانند تا 8000 وات را تحویل دهند. حداکثر توان در هر لیتر حجم
این انبارها با هم ترکیب می شوند بهترین ویژگی هاباتری ها و ابرخازن ها حتی با ظرفیت کم، آنها قادر خواهند بود حداکثر قدرت را ارائه دهند. ولتاژ حذف شده از چنین درایوهایی با تخلیه آنها کاهش نمی یابد، اما تا انتها ثابت می ماند.
محدوده دمای عملیاتی اعلام شده از -25 تا +85 درجه سانتیگراد. باتری می تواند در معرض 100000 چرخه شارژ/دشارژ قرار گیرد قبل از اینکه به زیر 90 درصد ظرفیت اولیه خود برسد. قابلیت گرفتن سریع و انرژی دادن، زمان شارژ را تا حد زیادی کاهش می دهد. علاوه بر این، این باتری ها نسوز هستند. در تولید آن از مواد کمیاب یا گران قیمت استفاده نمی شود. به طور کلی، نکات مثبت زیادی وجود دارد که باورش سخت است.

باتری خود شارژ

گروهی از محققان به سرپرستی ژونگلین وانگ (ژونگ لین وانگ) از موسسه فناوری جورجیا (ایالات متحده آمریکا) باتری خود شارژ شونده ای ساخته اند که برای شارژ مجدد نیازی به اتصال به پریز برق ندارد.
دستگاه در حال شارژ شدن از تاثیر مکانیکی، به طور دقیق - از فشار دادن. برنامه ریزی شده است که در گوشی های هوشمند و سایر دستگاه های لمسی استفاده شود.
توسعه دهندگان دستگاه خود را زیر کلیدهای ماشین حساب قرار دادند و به دلیل انرژی ناشی از فشار دادن دکمه ها، توانستند از عملکرد آن در طول روز اطمینان حاصل کنند.

این باتری از لایه‌های پلی‌وینیلیدین فلوراید و زیرکونات-تیتانات-سرب با ضخامت چند صد میکرومتری «پیشین» تشکیل شده است. هنگامی که فشار داده می شود، یون های لیتیوم به دلیل اثر پیزوالکتریک از کاتد به آند مهاجرت می کنند. برای افزایش کارایی نمونه اولیه، محققان نانوذرات را به مواد پیزوالکتریک آن اضافه کردند که اثر مربوطه را افزایش می‌دهد و به افزایش قابل توجهی در ظرفیت و سرعت شارژ مجدد دستگاه دست یافتند.
باید بدانید که باتری مات است، بنابراین فقط می تواند زیر دکمه ها یا زیر صفحه نمایش قرار بگیرد.
باتری از ویژگی های برجسته ای مانند دستگاهی که قبلاً توضیح داده شد برخوردار نیست (اکنون ظرفیت باتری به اندازه یک تبلت استاندارد برای مادربردها از 0.004 اولیه به 0.010 میلی آمپر ساعت افزایش یافته است) ، اما توسعه دهندگان قول می دهند که روی کارایی آن کار کنند. طرح های تولیدی هنوز خیلی دور هستند، اگرچه صفحه نمایش های انعطاف پذیر - دستگاه های اصلی که توسعه دهندگان قصد دارند باتری خود را در آن قرار دهند - هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند. هنوز زمان برای نهایی کردن اختراع و معرفی آن به تولید وجود دارد.

باتری مبتنی بر قند

به نظر می رسد که تنها آسیایی ها به توسعه باتری مشغول هستند. نمونه اولیه یک باتری غیرمعمول دیگر در دانشگاه پلی تکنیک ویرجینیا آمریکا ساخته شد.

این باتری اساساً با شکر کار می کند، به طور دقیق تر از مالتودکسترین، پلی ساکاریدی که در نتیجه هیدرولیز نشاسته به دست می آید. کاتالیزور در چنین باتری یک آنزیم است. این بسیار ارزان تر از پلاتین است که اکنون در باتری های معمولی استفاده می شود. چنین باتری متعلق به نوع سلول های سوختی آنزیمی است. الکتریسیته در اینجا از واکنش اکسیژن، هوا و آب تولید می شود. برخلاف پیل های سوختی هیدروژنی، آنزیم ها غیر قابل اشتعال و غیر قابل انفجار هستند. و پس از اتمام باتری، به گفته توسعه دهندگان، می توان آن را با شکر دوباره پر کرد.
در باره مشخصات فنی از این نوعاطلاعات کمی در مورد باتری ها وجود دارد. فقط ادعا می شود که چگالی انرژی در آنها چندین برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون معمولی است. هزینه چنین باتری هایی به طور قابل توجهی کمتر از باتری های معمولی است، بنابراین توسعه دهندگان برای یافتن برنامه های تجاری برای آنها در 3 سال آینده کاملاً مطمئن هستند. منتظر قول باشیم

باتری با ساختار نارنجکی

اما دانشمندان آزمایشگاه شتاب دهنده ملی آمریکا SLAC در دانشگاه استنفورد تصمیم گرفتند با استفاده از ساختار یک نارنجک، حجم باتری های معمولی را افزایش دهند.

توسعه دهندگان اندازه آندها را تا حد ممکن کاهش دادند و هر یک از آنها را در یک پوسته کربن قرار دادند. این از تخریب آنها جلوگیری می کند. در طی فرآیند شارژ، ذرات منبسط شده و به صورت خوشه‌هایی ترکیب می‌شوند که در یک پوسته کربنی نیز قرار می‌گیرند. در نتیجه چنین دستکاری هایی، ظرفیت این باتری ها 10 برابر بیشتر از ظرفیت باتری های لیتیوم یون معمولی است.
از آزمایشات به دست می آید که پس از 1000 چرخه شارژ / دشارژ، باتری 97٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می کند.
اما هنوز خیلی زود است که در مورد کاربرد تجاری این فناوری صحبت کنیم. تولید نانوذرات سیلیکونی بسیار گران است و فرآیند ساخت چنین باتری‌هایی بسیار پیچیده است.

باتری های اتمی

و در نهایت، من در مورد توسعه صحبت می کنم دانشمندان بریتانیایی. آنها تصمیم گرفتند با ایجاد یک راکتور هسته ای مینیاتوری از همکاران خود پیشی بگیرند. نمونه اولیه باتری اتمی مبتنی بر تریتیوم که توسط محققان دانشگاه سوری ساخته شده است، انرژی کافی برای تامین انرژی یک تلفن همراه به مدت 20 سال تولید می کند. درست است، بعداً امکان شارژ مجدد آن وجود نخواهد داشت.

در باتری، که یک مدار مجتمع است، یک واکنش هسته ای رخ می دهد که در نتیجه 0.8 - 2.4 وات انرژی تولید می شود. دمای کاریباتری -50 تا +150 است. با این حال، او نمی ترسد قطرات تیزدما و فشار
توسعه دهندگان ادعا می کنند که تریتیوم موجود در باتری برای شخص خطرناک نیست، زیرا. محتوای آن در آنجا بسیار کم است. با این حال، در مورد تولید انبوههنوز خیلی زود است که بگوییم چنین منابع انرژی - دانشمندان هنوز تحقیقات و آزمایش های زیادی برای انجام دادن دارند.

نتیجه

البته، همه فناوری های فوق کاربرد خود را پیدا نمی کنند، با این حال، باید درک کرد که در چند سال آینده باید پیشرفتی در فناوری تولید باتری ایجاد شود، که منجر به جهش در گسترش خودروهای الکتریکی و تولید خواهد شد. از گوشی های هوشمند و غیره لوازم برقینوع جدید.

تصور کن تلفن همراهکه بیش از یک هفته شارژ نگه می دارد و در 15 دقیقه شارژ می شود. خارق العاده؟ اما ممکن است به لطف مطالعه جدید دانشمندان دانشگاه نورث وسترن (ایوانستون، ایلینوی، ایالات متحده آمریکا) به واقعیت تبدیل شود. گروهی از مهندسان الکترودی را برای باتری های قابل شارژ لیتیوم یون (که امروزه در اکثر تلفن های همراه استفاده می شود) ساختند که ظرفیت انرژی آنها را 10 برابر افزایش داد. این سورپرایزهای دلپذیرمحدود نیست - جدید دستگاه های باتریمی تواند 10 برابر سریعتر از نمونه های فعلی شارژ شود.

برای غلبه بر محدودیت های اعمال شده فن آوری های موجوددر مورد ظرفیت انرژی و نرخ شارژ باتری، دانشمندان از دو رویکرد مختلف مهندسی شیمی استفاده کردند. باتری به دست آمده نه تنها عمر دستگاه های الکترونیکی کوچک مانند تلفن و لپ تاپ را افزایش می دهد، بلکه راه را برای توسعه باتری های کارآمدتر و فشرده تر برای وسایل نقلیه الکتریکی هموار می کند.

پروفسور هارولد اچ کونگ، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: ما راهی برای افزایش زمان ماندگاری شارژ باتری لیتیوم یون جدید تا 10 برابر پیدا کرده ایم. حتی پس از 150 جلسه شارژ/دشارژ، یعنی حداقل یک سال کارکرد، پنج برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یون موجود در بازار باقی می‌ماند.

عملکرد یک باتری لیتیوم یونی بر اساس یک واکنش شیمیایی است که در آن یون های لیتیوم بین یک آند و یک کاتد واقع در انتهای مخالف باتری حرکت می کنند. در طول کار باتری، یون های لیتیوم از آند از طریق الکترولیت به کاتد مهاجرت می کنند. هنگام شارژ، جهت آنها دقیقاً برعکس جایگزین می شود. باتری های فعلی دو محدودیت مهم دارند. ظرفیت انرژی آنها - یعنی زمان نگهداری شارژ باتری - با چگالی شارژ یا تعداد یون های لیتیوم که می توانند روی آند یا کاتد قرار بگیرند محدود می شود. در عین حال، سرعت شارژ چنین باتری با سرعتی که یون های لیتیوم قادر به حرکت از طریق الکترولیت به آند هستند محدود می شود.

در باتری های قابل شارژ امروزی، یک آند ساخته شده از بسیاری از صفحات گرافن می تواند تنها یک اتم لیتیوم به ازای هر شش اتم کربن (که گرافن را تشکیل می دهد) داشته باشد. در تلاش برای افزایش ظرفیت انرژی باتری ها، دانشمندان قبلاً با جایگزینی کربن با سیلیکون آزمایش کرده اند که می تواند لیتیوم بسیار بیشتری را در خود نگه دارد: چهار اتم لیتیوم برای هر اتم سیلیکون. با این حال، سیلیکون در طول فرآیند شارژ به شدت منبسط و منقبض می شود که باعث تکه تکه شدن ماده آند و در نتیجه از دست دادن سریع ظرفیت شارژ باتری می شود.

در حال حاضر سرعت کمشارژ باتری با شکل صفحات گرافن توضیح داده می شود: در مقایسه با ضخامت (که فقط یک اتم است)، طول آنها بسیار زیاد است. در طول شارژ، یون لیتیوم باید فاصله تا لبه های بیرونی صفحات گرافن را بپوشاند و سپس از بین آنها عبور کرده و در جایی در داخل متوقف شود. از آنجایی که لیتیوم برای رسیدن به وسط صفحه گرافن زمان زیادی طول می کشد، چیزی شبیه جمجمه یونی در نزدیکی لبه های آن مشاهده می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، گروه تحقیقاتی کونگ هر دوی این مشکلات را با اتخاذ دو فناوری مختلف حل کرد. ابتدا برای اطمینان از پایداری سیلیکون و بر این اساس، حفظ حداکثر ظرفیت شارژ باتری، خوشه‌های سیلیکونی را بین صفحات گرافن قرار دادند. این امکان افزایش تعداد یون‌های لیتیوم در الکترود را فراهم کرد، در حالی که همزمان از انعطاف‌پذیری صفحات گرافن برای محاسبه تغییرات حجم سیلیکون در طول شارژ/دشارژ باتری استفاده می‌کرد.

کونگ می گوید: «اکنون هر دو پرنده را با یک سنگ می کشیم. به لطف سیلیکون، ما چگالی انرژی بالاتری دریافت می کنیم و در هم تنیدگی لایه ها اتلاف توان ناشی از انبساط با انقباض سیلیکون را کاهش می دهد. حتی با نابودی خوشه های سیلیکونی، خود سیلیکون به جایی نمی رسد.

علاوه بر این، محققان از یک فرآیند اکسیداسیون شیمیایی برای ایجاد حفره‌های مینیاتوری (10 تا 20 نانومتری) در صفحات گرافن ("نقص در صفحه") استفاده کردند که یون‌های لیتیوم را با "دسترسی سریع" به داخل آند و ذخیره‌سازی بعدی در داخل آند ارائه کردند. در نتیجه واکنش با سیلیکون. این امر زمان مورد نیاز برای شارژ باتری را 10 برابر کاهش داد.

تاکنون تمام تلاش ها برای بهینه سازی عملکرد باتری ها به یکی از اجزای آنها - آند - معطوف شده است. در مرحله بعدی تحقیقات، دانشمندان قصد دارند تغییرات کاتد را برای همین منظور مطالعه کنند. علاوه بر این، آنها می خواهند سیستم الکترولیت را به گونه ای اصلاح کنند که باتری بتواند به طور خودکار (و برگشت پذیر) در دمای بالا خاموش شود، مکانیزم محافظتی که می تواند در هنگام استفاده از باتری در خودروهای الکتریکی مفید باشد.

به گفته توسعه دهندگان، فرم فعلی تکنولوژی جدیدباید طی سه تا پنج سال آینده وارد بازار شود. مقاله ای در مورد نتایج تحقیق و توسعه باتری های جدید در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد.

خواندن سوال trudnopisaka :

جالب است که در مورد فن آوری های باتری جدید که برای تولید انبوه آماده می شوند، یاد بگیریم."

خوب، البته، معیار تولید انبوه تا حدودی قابل گسترش است، اما بیایید سعی کنیم دریابیم که اکنون چه چیزی امیدوارکننده است.

در اینجا چیزی است که شیمیدان ها به این نتیجه رسیدند:

ولتاژ سلول بر حسب ولت (عمودی) و ظرفیت کاتد خاص (mAh/g) باتری نوبلافاصله پس از ساخت (I)، اولین تخلیه (II) و اولین شارژ (III) (تصویر توسط هی سو کیم و همکاران/Nature Communications).

از نظر پتانسیل انرژی، باتری های مبتنی بر ترکیبی از منیزیم و گوگرد قادر به دور زدن باتری های لیتیومی هستند. اما تاکنون هیچ کس نتوانسته است این دو ماده را با هم در یک سلول باتری کار کند. در حال حاضر، با کمی ملاحظات، گروهی از متخصصان در ایالات متحده آمریکا موفق شده اند.

دانشمندان تویوتا موسسه تحقیقاتی V آمریکای شمالی(TRI-NA) سعی کرد حل کند مشکل اصلی، سد راه ایجاد باتری های منیزیم-گوگرد (Mg/S) می شود.

اقتباس از آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام.

آلمانی ها باتری یون فلوراید را اختراع کردند

علاوه بر کل ارتش منابع جریان الکتروشیمیایی، دانشمندان گزینه دیگری را توسعه داده اند. مزایای ادعا شده آن خطر آتش سوزی کمتر و ده برابر ظرفیت ویژه نسبت به باتری های لیتیوم یونی است.

شیمیدانان مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT) به مفهوم باتری مبتنی بر فلوراید فلزی دست یافته اند و حتی نمونه های کوچک آزمایشگاهی را آزمایش کرده اند.

در چنین باتری هایی، آنیون های فلوئور مسئول انتقال بار بین الکترودها هستند. آند و کاتد باتری حاوی فلزاتی هستند که بسته به جهت جریان (شارژ یا دشارژ)، به نوبه خود به فلوراید تبدیل می شوند یا دوباره به فلزات تبدیل می شوند.

دکتر Maximilian Fichtner یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «از آنجایی که یک اتم فلز می تواند چندین الکترون را به طور همزمان بپذیرد یا اهدا کند، این مفهوم به چگالی انرژی بسیار بالایی اجازه می دهد - تا ده برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون معمولی».

برای آزمایش این ایده، محققان آلمانی چندین نمونه از چنین باتری هایی با قطر 7 میلی متر و ضخامت 1 میلی متر ساختند. نویسندگان چندین ماده الکترود (مثلاً مس و بیسموت ترکیب شده با کربن) را مورد مطالعه قرار دادند و یک الکترولیت بر اساس لانتانیم و باریم ایجاد کردند.

با این حال، چنین الکترولیت جامدی تنها یک مرحله میانی است. این ترکیب که یون های فلوئور را هدایت می کند، تنها زمانی به خوبی کار می کند درجه حرارت بالا. بنابراین، شیمیدانان به دنبال جایگزینی برای آن هستند - یک الکترولیت مایع که در دمای اتاق عمل کند.

(جزئیات را می توان در بیانیه مطبوعاتی موسسه و مقاله ای در مجله شیمی مواد یافت.)

باتری های آینده

پیش‌بینی اینکه چه چیزی در آینده در انتظار بازار باتری است هنوز دشوار است. باتری‌های لیتیومی همچنان در قدرت هستند و به لطف پیشرفت‌های لیتیوم پلیمری، پتانسیل خوبی دارند. معرفی عناصر نقره-روی فرآیندی بسیار طولانی و پرهزینه است و مصلحت آن هنوز موضوعی قابل بحث است. سال‌هاست که فناوری‌های سلول سوختی و نانولوله‌ها مورد ستایش قرار گرفته‌اند و با زیباترین عبارت‌ها توصیف شده‌اند، اما وقتی نوبت به عمل می‌رسد، محصولات واقعی یا خیلی حجیم یا خیلی گران هستند یا هر دو. تنها یک چیز واضح است - در سال های آینده، این صنعت به طور فعال به توسعه خود ادامه خواهد داد، زیرا محبوبیت دستگاه های قابل حمل با جهش در حال افزایش است.

به موازات لپ تاپ های متمرکز بر کار آفلاین، جهت لپ تاپ های رومیزی در حال توسعه است که در آن باتری بیشتر نقش یک UPS پشتیبان را بازی می کند. به تازگی سامسونگ لپ تاپ مشابهی را بدون باتری عرضه کرده است.

که در NiCd-آکومولاتورها امکان الکترولیز را نیز دارند. برای جلوگیری از تجمع هیدروژن انفجاری در آنها، باتری ها مجهز به دریچه های میکروسکوپی هستند.

در موسسه معتبر MITاخیرا توسعه یافته است تکنولوژی منحصر به فردتولید باتری های لیتیومیبا تلاش ویروس های آموزش دیده خاص.

با اينكه سلول سوختیاز نظر ظاهری، کاملاً با یک باتری سنتی متفاوت است؛ طبق اصول مشابه کار می کند.

و چه کسی مسیرهای امیدوارکننده ای را به شما خواهد گفت؟

بیش از 200 سال پیش، ویلهلم ریتر، فیزیکدان آلمانی، اولین باتری جهان را ساخت. در مقایسه با باتری موجود در آن زمان A. Volta، دستگاه ذخیره سازی ویلهلم می تواند بارها و بارها شارژ و دشارژ شود. در طول دو قرن، باتری برق بسیار تغییر کرده است، اما برخلاف "چرخ"، تا به امروز اختراع آن ادامه دارد. امروزه فن آوری های جدید در تولید باتری با ظهور دیکته شده است جدیدترین دستگاه هانیاز به منبع تغذیه مستقل گجت‌های جدید و قدرتمندتر، خودروهای الکتریکی، پهپادهای پرنده - همه این دستگاه‌ها به باتری‌های کوچک‌تر، سبک‌تر، اما بزرگ‌تر و بادوام‌تر نیاز دارند.

ساختار اساسی باتری را می توان به طور خلاصه توصیف کرد - اینها الکترودها و الکترولیت هستند. از مواد الکترودها و ترکیب الکترولیت است که ویژگی های باتری بستگی دارد و نوع آن مشخص می شود. در حال حاضر بیش از 33 نوع منبع تغذیه قابل شارژ وجود دارد، اما پرکاربردترین آنها عبارتند از:

• اسید سرب؛
• نیکل کادمیوم؛
• هیدرید نیکل-فلز؛
• لیتیوم یون؛
• لیتیوم پلیمر؛
• نیکل روی

کار هر یک از آنها یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر است، یعنی واکنشی که هنگام تخلیه رخ می دهد، هنگام شارژ مجدداً بازسازی می شود.

زمینه استفاده از باتری ها بسیار گسترده است و بسته به نوع دستگاهی که از آن کار می کند، الزامات خاصی بر باتری تحمیل می شود. به عنوان مثال، برای گجت ها باید سبک، کم اندازه و به اندازه کافی باشد ظرفیت بزرگ. برای یک ابزار برقی یا یک پهپاد پرنده، جریان پس زدگی مهم است، زیرا مصرف جریان الکتریسیتهبه اندازه کافی بالا در عین حال، الزاماتی وجود دارد که برای همه باتری ها اعمال می شود - این ظرفیت و منبع بالایی از چرخه شارژ است.

دانشمندان در سراسر جهان روی این موضوع کار می کنند، تحقیقات و آزمایشات زیادی در حال انجام است. متأسفانه، بسیاری از طرح هایی که نتایج الکتریکی و عملیاتی عالی را نشان می دادند، از نظر هزینه بسیار گران بودند و در سال جاری راه اندازی نشدند. تولید انبوه. با سمت فنی, بهترین موادبرای ساخت باتری از نقره و طلا استفاده می شود و از نظر اقتصادی قیمت چنین کالایی برای مصرف کننده غیر قابل دسترس خواهد بود. در عین حال، جستجو برای راه حل های جدید متوقف نمی شود و اولین پیشرفت قابل توجه باتری لیتیوم یون بود.

اولین بار در سال 1991 معرفی شد شرکت ژاپنیسونی. باطری با چگالی بالا و خود تخلیه کم مشخص می شد. با این حال، او نقص هایی داشت.

اولین نسل از چنین منابع تغذیه انفجاری بود. با گذشت زمان، دندریت ها روی آند انباشته شدند که منجر به اتصال کوتاه و آتش سوزی شد. در روند بهبود در نسل بعدی از آند گرافیتی استفاده شد و این عیب برطرف شد.

دومین عیب اثر حافظه بود. با شارژ ناقص مداوم، باتری ظرفیت خود را از دست داد. کار برای رفع این نقص تکمیل شده است روند جدیدتمایل به کوچک سازی میل به ایجاد گوشی‌های هوشمند بسیار نازک، اولترابوک‌ها و سایر دستگاه‌ها نیازمند علم برای توسعه یک منبع انرژی جدید بود. علاوه بر این، باتری لیتیوم یون قدیمی نیازهای مدل‌سازانی را که به منبع جدید برق با چگالی بسیار بالاتر و جریان خروجی بالا نیاز داشتند، برآورده نمی‌کند.

در نتیجه، یک الکترولیت پلیمری در مدل لیتیوم یون استفاده شد و اثر فراتر از همه انتظارات بود.

مدل بهبودیافته نه تنها فاقد اثر حافظه بود، بلکه از همه جهات چندین برابر برتری نسبت به مدل قبلی خود داشت. برای اولین بار امکان ساخت باتری با ضخامت تنها 1 میلی متر وجود داشت. در عین حال، قالب آن می تواند متنوع ترین باشد. چنین باتری هایی بلافاصله هم در بین مدل سازان و هم در بین تولید کنندگان تلفن همراه مورد تقاضای زیادی قرار گرفتند.

اما همچنان کمبودهایی وجود داشت. معلوم شد که این عنصر یک خطر آتش سوزی است، در حین شارژ مجدد گرم شده و می تواند مشتعل شود. باتری های پلیمری مدرن مجهز به یک مدار داخلی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد هستند. همچنین توصیه می شود آنها را فقط با ویژه شارژ کنید شارژرهامدل های عرضه شده یا مشابه

نه کمتر از مشخصه مهمباتری - هزینه امروز بیشترین است یک مشکل بزرگدر مسیر توسعه باتری

قدرت خودروی الکتریکی

تسلا موتورز باتری هایی را با استفاده از فناوری های جدید مبتنی بر قطعات تولید می کند علامت تجاریپاناسونیک. در نهایت، راز فاش نمی شود، اما نتیجه آزمایش خوشحال می شود. Ecomobile مدل تسلا S، مجهز به باتری تنها 85 کیلووات ساعت، با یک بار شارژ، کمی بیش از 400 کیلومتر را طی کرد. البته دنیا خالی از کنجکاو نیست، بنابراین یکی از این باتری ها به ارزش 45000 دلار با این وجود باز شد.

داخل آن تعداد زیادی سلول لیتیوم یونی پاناسونیک وجود داشت. در عین حال کالبد شکافی تمام پاسخ هایی را که دوست داشتم دریافت کنم، نداد.

فناوری های آینده

با وجود یک دوره طولانیرکود، علم در آستانه یک پیشرفت بزرگ است. این امکان کاملا وجود دارد که فردا یک تلفن همراه بدون شارژ مجدد یک ماه کار کند و یک خودروی برقی با یک بار شارژ 800 کیلومتر را طی کند.

نانوتکنولوژی

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی ادعا می کنند که جایگزینی آندهای گرافیت با سیم های سیلیکونی با قطر 100 نانومتر، ظرفیت باتری را تا 3 برابر افزایش می دهد و زمان شارژ را به 10 دقیقه کاهش می دهد.

دانشگاه استنفورد اساساً پیشنهاد داد نوع جدیدآندها نانوسیم های کربنی متخلخل با پوشش گوگرد. به گفته آنها، چنین منبع انرژی 4-5 برابر بیشتر از یک باتری لیتیوم یونی برق جمع می کند.

دانشمند آمریکایی دیوید کیزایلوس بیان کرد که باطری های قابل شارژبر اساس کریستال های مگنتیت نه تنها جادارتر، بلکه نسبتاً ارزان خواهد بود. به هر حال، این کریستال ها را می توان از دندان صدف به دست آورد.

دانشمندان دانشگاه واشنگتن به مسائل عملی تر نگاه می کنند. آنها قبلاً فناوری های باتری جدیدی را به ثبت رسانده اند که از آند قلع به جای الکترود گرافیتی استفاده می کند. همه چیز دیگر تغییر نخواهد کرد و باتری های جدید به راحتی می توانند جایگزین باتری های قدیمی در گجت های آشنای ما شوند.

انقلاب امروز

دوباره ماشین های برقی تا اینجای کار، آنها همچنان از نظر قدرت و مسافت پیموده شده از خودروها پایین تر هستند، اما این مدت زیادی نیست. بنابراین نمایندگان شرکت IBM که مفهوم باتری های لیتیوم-هوا را پیشنهاد کردند، می گویند. علاوه بر این، در سال جاری یک منبع تغذیه برتر از همه نظر به مصرف کننده ارائه می شود.