Apsvarstykite patį pirmąjį srovės šaltinį, kurį išrado Volta ir pavadintą Galvani.

Srovės šaltinis bet kuriose baterijose gali būti tik redokso reakcija. Tiesą sakant, tai yra dvi reakcijos: atomas oksiduojasi, kai praranda elektroną. Elektrono gavimas vadinamas atkūrimu. Tai reiškia, kad redokso reakcija vyksta dviejuose taškuose: iš kur ir kur teka elektronai.

Du metalai (elektrodai) panardinami į jų sieros rūgšties druskų vandeninį tirpalą. Vieno elektrodo metalas oksiduojamas, o kito redukuojamas. Reakcijos priežastis yra ta, kad vieno elektrodo elementai traukia elektronus stipriau nei kito elementai. Metalo elektrodų poroje Zn - Cu vario jonas (ne neutralus junginys) turi didesnę galimybę pritraukti elektronus, todėl esant galimybei elektronas pereina į stipresnį šeimininką, o cinko jonas išplėšiamas. rūgšties tirpalu į elektrolitą (tam tikrą jonams laidžią medžiagą). Elektronų perdavimas atliekamas laidininku per išorinį elektros tinklą. Lygiagrečiai su neigiamo krūvio judėjimu priešinga kryptimi, teigiamai įkrauti jonai (anijonai) juda per elektrolitą (žr. vaizdo įrašą)

Visuose CHIT prieš ličio jonus elektrolitas yra aktyvus vykstančių reakcijų dalyvis
žiūrėkite švino akumuliatoriaus veikimo principą

Galvani klaida

Elektrolitas taip pat yra srovės laidininkas, tik antrojo tipo, kuriame krūvio judėjimą atlieka jonai. Žmogaus kūnas yra kaip tik toks laidininkas, o raumenys susitraukia dėl anijonų ir katijonų judėjimo.
Taigi L. Galvani netyčia sujungė du elektrodus per natūralų elektrolitą – išpjaustytą varlę.

HIT charakteristikos

Talpa – elektronų skaičius (elektroninis krūvis), kurį galima praleisti per prijungtą įrenginį, kol baterija visiškai išsikraus [Q] arba
Visos baterijos talpą formuoja katodo ir anodo talpos: kiek elektronų sugeba atiduoti anodas ir kiek elektronų geba priimti katodas. Natūralu, kad mažesnis iš dviejų pajėgumų bus ribojamas.

Įtampa – potencialų skirtumas. energetinė charakteristika, parodanti, kokią energiją išskiria vienetinis krūvis pereinant nuo anodo prie katodo.

Energija yra darbas, kurį galima atlikti su tam tikru HIT, kol jis visiškai išsikrauna [J] arba
Galia – energijos išeigos arba darbo greitis per laiko vienetą
Patvarumas arba Kulono efektyvumas- kiek procentų talpos negrįžtamai prarandama įkrovimo-iškrovimo ciklo metu.

Visos charakteristikos yra prognozuojamos teoriškai, tačiau dėl daugelio veiksnių, į kuriuos sunku atsižvelgti, dauguma charakteristikų yra patikslintos eksperimentiniu būdu. Taigi, remiantis chemija, juos visus galima numatyti idealiam atvejui, tačiau makrostruktūra turi didžiulį poveikį tiek talpai, tiek galiai ir ilgaamžiškumui.

Taigi ilgaamžiškumas ir talpa didžiąja dalimi priklauso ir nuo įkrovimo / iškrovimo greičio, ir nuo elektrodo makrostruktūros.
Todėl baterija pasižymi ne vienu parametru, o visu rinkiniu skirtingi režimai. Pavyzdžiui, akumuliatoriaus įtampa (vieneto įkrovos perdavimo energija**) gali būti įvertinta kaip pirmasis apytikslis (medžiagų perspektyvos etape) pagal vertes. jonizacijos energijos aktyviųjų medžiagų atomų oksidacijos ir redukcijos metu. Tačiau tikroji vertė yra chemijos skirtumas. potencialai, kurių matavimui, taip pat įkrovimo / iškrovimo kreivėms paimti, surenkamas bandymo elementas su bandymo elektrodu ir etaloniniu.

Elektrolitų pagrindu vandeniniai tirpalai naudojant standartinį vandenilio elektrodą. Dėl Lithium-Ion - metalinis litis.

*Jonizacijos energija yra energija, kurią reikia perduoti elektronui, kad būtų nutrauktas ryšys tarp jo ir atomo. Tai yra, paimta su priešingu ženklu, reiškia ryšio energiją, o sistema visada siekia sumažinti ryšio energiją.
** Vieno perdavimo energija - vieno elementaraus krūvio perdavimo energija 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] arba 1eV (elektronvoltas)

Li-ion baterijos

<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.
Kaip jau minėta, ličio jonų akumuliatoriuose elektrolitas tiesiogiai nedalyvauja reakcijoje. Kur vyksta dvi pagrindinės reakcijos: oksidacija ir redukcija, ir kaip išlyginamas krūvio balansas?
Tiesiogiai šios reakcijos vyksta tarp ličio anode ir metalo atomo katodo struktūroje. Kaip minėta aukščiau, ličio jonų baterijų atsiradimas yra ne tik naujų elektrodų jungčių atradimas, bet ir naujo grynųjų pinigų vežimo veikimo principo atradimas:
Su anodu silpnai surištas elektronas išeina palei išorinį laidininką į katodą.
Katode elektronas patenka į metalo orbitą, kompensuodamas 4-ąjį elektroną, kurį iš jo praktiškai atima deguonis. Dabar metalo elektronas pagaliau prisijungia prie deguonies, o susidaręs elektrinis laukas įtraukia ličio joną į tarpą tarp deguonies sluoksnių. Taigi didžiulė ličio jonų baterijų energija pasiekiama ne atkuriant išorinius 1,2 elektronus, o atkuriant „gilesnius“. Pavyzdžiui, koboltui – 4-asis elektronas.
Ličio jonai išlaikomi katode dėl silpnos, apie 10 kJ/mol, sąveikos (van der Waals) su juos supančiais deguonies atomų elektronų debesimis (raudona).

Li yra trečiasis elementas, turi mažą atominį svorį ir mažą dydį. Dėl to, kad litis prasideda ir, be to, tik antroje eilėje, neutralaus atomo dydis yra gana didelis, o jono dydis yra labai mažas, mažesnis už helio ir vandenilio atomų dydžius, todėl jis praktiškai yra būtini LIB schemoje. dar viena aukščiau paminėtų dalykų pasekmė: išorinis elektronas (2s1) turi nežymų ryšį su branduoliu ir gali būti lengvai prarastas (tai išreiškiama tuo, kad Ličio potencialas yra mažiausias, palyginti su vandenilio elektrodu P=-3,04V).

Pagrindiniai LIB komponentai

Elektrolitas

Skirtingai nuo tradicinių baterijų, elektrolitas kartu su separatoriumi tiesiogiai nedalyvauja reakcijoje, o tik užtikrina ličio jonų pernešimą ir neleidžia pernešti elektronų.
Elektrolito reikalavimai:
- geras joninis laidumas
- žema elektronika
- žema kaina
- lengvas svoris
- netoksiškumas
- GEBĖJIMAS DIRBTI NUSTATYTAME ĮTAMPOS IR TEMPERATŪROS DIAPONUOSE
- užkirsti kelią struktūriniams elektrodų pokyčiams (neleisti sumažinti talpą)
Šioje apžvalgoje leisiu apeiti elektrolitų temą, kuri yra techniškai sudėtinga, bet ne tokia svarbi mūsų temai. LiFP 6 tirpalas daugiausia naudojamas kaip elektrolitas
Nors manoma, kad elektrolitas su separatoriumi yra absoliutus izoliatorius, iš tikrųjų taip nėra:
Ličio jonų elementuose yra savaiminio išsikrovimo reiškinys. tie. ličio jonas su elektronais per elektrolitą pasiekia katodą. Todėl ilgalaikio saugojimo atveju akumuliatorių būtina laikyti iš dalies įkrautą.
Esant ilgiems veikimo pertraukimams, taip pat atsiranda senėjimo reiškinys, kai atskiros grupės yra atskiriamos nuo tolygiai prisotinto ličio jono, pažeidžiant koncentracijos vienodumą ir taip sumažinant bendrą talpą. Todėl, pirkdami akumuliatorių, turite patikrinti išleidimo datą

Anodai

Anodai yra elektrodai, turintys silpną ryšį tiek su „svečiu“ ličio jonu, tiek su atitinkamu elektronu. Šiuo metu vyksta įvairių anodo sprendimų, skirtų ličio jonų baterijoms, kūrimo bumas.
reikalavimai anodams

• Didelis elektroninis ir joninis laidumas (greitas ličio įterpimo / ekstrahavimo procesas)
• Žema įtampa su bandymo elektrodu (Li)
• Didelė specifinė talpa
• Didelis anodo struktūros stabilumas įdedant ir ištraukiant litį, kuris yra atsakingas už kuloną

Tobulinimo metodai:

• Pakeiskite anodo medžiagos struktūros makrostruktūrą
• Sumažinkite medžiagos poringumą
• Pasirinkite naują medžiagą.
• Naudokite mišrias medžiagas
• Pagerinkite fazės ribos savybes su elektrolitu.

Apskritai, LIB anodai gali būti suskirstyti į 3 grupes pagal ličio sudėtį į jo struktūrą:

Anodai yra šeimininkai. Grafitas

Beveik visi iš vidurinės mokyklos atsimena, kad anglis egzistuoja kietos formos dviejose pagrindinėse struktūrose – grafito ir deimanto. Šių dviejų medžiagų savybių skirtumas yra ryškus: viena yra skaidri, kita - ne. Vienas izoliatorius yra kitas laidininkas, vienas pjauna stiklą, kitas trina į popierių. Priežastis yra skirtinga tarpatominių sąveikų prigimtis.
Deimantas yra kristalinė struktūra, kurioje tarpatominiai ryšiai susidaro dėl sp3 hibridizacijos, tai yra, visi ryšiai yra vienodi – visi trys 4 elektronai sudaro σ ryšius su kitu atomu.
Grafitas susidaro sp2 hibridizacijos būdu, kuris diktuoja sluoksniuotą struktūrą ir silpną ryšį tarp sluoksnių. Dėl „plaukiojančios“ kovalentinės π-jungties grafito anglis yra puikus laidininkas
Grafitas yra pirmoji ir šiandien pagrindinė anodo medžiaga, turinti daug privalumų.
Didelis elektroninis laidumas
Didelis joninis laidumas
Mažos tūrinės deformacijos įvedant ličio atomus
Žema kaina
Pirmąjį grafitą kaip anodo medžiagą dar 1982 metais pasiūlė S.Basu, o 1985 metais A.Yoshino įvedė į ličio jonų elementą.
Iš pradžių elektrode buvo naudojamas natūralios formos grafitas ir jo talpa siekė tik 200 mAh/g. Pagrindinis pajėgumų didinimo šaltinis buvo grafito kokybės gerinimas (struktūros gerinimas ir išvalymas nuo priemaišų). Faktas yra tas, kad grafito savybės labai skiriasi priklausomai nuo jo makrostruktūros, o daugybės anizotropinių grūdelių buvimas struktūroje, orientuotas skirtingai, žymiai pablogina medžiagos difuzines savybes. Inžinieriai bandė padidinti grafitizacijos laipsnį, tačiau jo padidėjimas paskatino elektrolito skilimą. Pirmasis sprendimas buvo susmulkinta mažai grafifikuota anglis, sumaišyta su elektrolitu, kas padidino anodo talpą iki 280mAh/g (technologija vis dar plačiai naudojama).Tai buvo įveikta 1998 metais į elektrolitą įvedant specialių priedų, kurie sukuria apsauginę sluoksnis ant pirmojo ciklo (toliau – SEI kietojo elektrolito sąsaja), kuris neleidžia tolesniam elektrolito skilimui ir leidžia naudoti dirbtinį grafitą 320 mAh/g. Šiuo metu grafito anodo talpa pasiekė 360 mAh/g, o viso elektrodo – 345 mAh/g ir 476 Ah/l.

Reakcija: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

Grafito struktūra gali priimti daugiausia 1 Li atomą per 6 C, todėl didžiausia pasiekiama talpa yra 372 mAh / g (tai ne tiek teorinis skaičius, kiek įprastai naudojamas skaičius, nes čia yra rečiausias atvejis, kai kažkas realaus viršija teorinį, nes praktiškai ličio jonai gali būti dedami ne tik į ląstelių vidų, bet ir ant grafito grūdelių lūžių)
Nuo 1991 m grafito elektrodas patyrė daug pakeitimų ir, atrodo, kai kuriose charakteristikose kaip nepriklausoma medžiaga, pasiekė savo lubas. Pagrindinė tobulinimo sritis – galios didinimas, t.y. Akumuliatoriaus išsikrovimo/įkrovimo rodikliai. Galios didinimo uždavinys kartu yra ir ilgaamžiškumo didinimo uždavinys, nes greitas anodo iškrovimas/įkrovimas lemia grafito struktūros sunaikinimą per jį „ištemptais“ ličio jonais. Be standartinių galios didinimo metodų, kurie paprastai susiję su paviršiaus ir tūrio santykio didinimu, būtina atkreipti dėmesį į grafito monokristalo difuzijos savybių tyrimą skirtingomis kristalinės gardelės kryptimis, o tai rodo, kad Ličio difuzijos greitis gali skirtis 10 dydžių.

K.S. Novoselovas ir A.K. Geim – 2010 m. Nobelio fizikos premijos laureatai Savarankiško grafeno naudojimo pradininkai
Bell Laboratories U.S. Patentas 4 423 125
Asahi Chemical Ind. Japonijos patentas 1989293
Ube Industries Ltd. JAV patentas 6 033 809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa ir Ralph J. Brodd. Ličio jonų baterijos Mokslas ir technologijos Springer 2009 m.
Ličio difuzija grafinėje anglyje Kristin Persson at.al. Fizik. Chem. Letters 2010 / Lawrence Berkeley nacionalinė laboratorija. 2010 m
Ličio interkaluoto grafito LiC6 struktūrinės ir elektroninės savybės, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Apžvalga 2003 m.
Ličio jonų akumuliatoriuje naudojama neigiamo elektrodo aktyvioji medžiaga ir gamybos būdas. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923.908 2003 m
Elektrodų tankio poveikis ciklo veikimui ir negrįžtamas natūralaus grafito anodo talpos praradimas ličio jonų akumuliatoriuose. Joongpyo Shim ir Kathryn A. Striebel

Anodai Tin and Co. Lydiniai

Iki šiol vieni perspektyviausių yra anodai iš 14-osios periodinės lentelės grupės elementų. Dar prieš 30 metų buvo gerai ištirtas alavo (Sn) gebėjimas formuoti lydinius (intersticinius tirpalus) su ličiu. Tik 1995 m. „Fuji“ paskelbė apie alavo pagrindu pagamintą anodo medžiagą (žr., pvz.)
Buvo logiška tikėtis, kad tos pačios grupės lengvesni elementai turės tas pačias savybes, o iš tikrųjų silicio (Si) ir germanio (Ge) ličio priėmimo modelis yra identiškas.
Li 22 Sn 5 , Li 22 Ge 5 , Li 15 Si 4

Lix + Sn (Si, Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Pagrindinis ir bendras sunkumas naudojant šios grupės medžiagas yra didžiulės, nuo 357% iki 400%, tūrinės deformacijos prisotinus ličiu (įkrovimo metu), dėl kurių prarandami dideli talpos nuostoliai dėl kontakto su srove praradimo. kolektorius pagal anodo medžiagos dalį.

Bene įmantriausias šios grupės elementas yra alavas:
būdamas sunkiausias, duoda sunkesnius sprendimus: maksimalus teorinis tokio anodo pajėgumas yra 960 mAh/g, tačiau kompaktiškas (7000 Ah/l -1960Ah/l* ) vis dėlto lenkia tradicinius anglies anodus 3 ir 8 (2,7* ) kartus. , atitinkamai.
Perspektyviausi yra silicio pagrindu pagaminti anodai, kurie teoriškai (4200 mAh/g ~3590mAh/g) yra daugiau nei 10 kartų lengvesni ir 11 (3,14*) kartų kompaktiškesni (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) nei grafitas. anodai.
Si neturi pakankamo elektroninio ir joninio laidumo, o tai verčia ieškoti papildomų priemonių anodo galiai padidinti.
Ge , germanis nėra minimas taip dažnai kaip Sn ir Si, tačiau būdamas tarpinis, jis turi didelę (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / l) talpą ir 400 kartų didesnį joninį laidumą nei Si, o tai gali atsverti didelę jo kainą. kuriant didelės galios elektrotechniką

Be didelių tūrinių deformacijų, yra ir kita problema:
pajėgumo praradimas per pirmąjį ciklą dėl negrįžtamos ličio reakcijos su oksidais

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

Kurie yra didesni, tuo didesnis elektrodo kontaktas su oru (kuo didesnis paviršiaus plotas, t. y. smulkesnė struktūra)
Sukurta daug schemų, leidžiančių vienu ar kitu laipsniu išnaudoti didelį šių junginių potencialą, išlyginant trūkumus. Tačiau taip pat privalumai:
Visos šios medžiagos šiuo metu naudojamos anoduose kartu su grafitu, padidinant jų charakteristikas 20-30%.

* reikšmės yra pažymėtos, pataisytos autoriaus, nes bendruose skaičiuose neatsižvelgiama į reikšmingą tūrio padidėjimą ir jie veikia pagal veikliosios medžiagos tankio vertę (prieš prisotinimą ličiu), todėl neatspindi iš viso tikroji padėtis

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 m.
JAV patento paraiška 20080003502.
„Sony Nexelion“ chemija ir struktūra
Ličio jonų elektrodų medžiagos
J. Wolfenstine'as, J. L. Allenas,
J. Read ir D. Foster
Kariuomenės tyrimų laboratorija 2006 m.

Ličio jonų baterijų elektrodai – naujas būdas pažvelgti į seną problemą
The Electrochemical Society žurnalas, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

Esami pokyčiai

Visi esami didelių anodo deformacijų problemos sprendimai grindžiami vienu svarstymu: plėtimosi metu mechaninių įtempių priežastis yra sistemos monolitiškumas: monolitinį elektrodą suskaidyti į daugybę galimų mažesnių struktūrų, leidžiančių joms plėstis nepriklausomai nuo kiekvienos. kitas.
Pirmasis, akivaizdžiausias, būdas yra paprastas medžiagos šlifavimas naudojant kažkokį laikiklį, kuris neleidžia dalelėms susijungti į didesnes, taip pat gauto mišinio prisotinimas elektronams laidžiomis medžiagomis. Panašų sprendimą būtų galima atsekti ir grafito elektrodų evoliucijoje. Šis metodas leido pasiekti tam tikrą pažangą didinant anodų talpą, tačiau vis dėlto iki visiško nagrinėjamų medžiagų potencialo atskleidimo padidinus anodo talpą (tiek tūrį, tiek masę) ~ 10- 30% (400–550 mAh / g) esant mažai galiai
Santykinai ankstyvas nanodydžių alavo dalelių įvedimo į grafito rutulių paviršių metodas (elektrolizės būdu),
Išradingas ir paprastas požiūris į problemą leido sukurti efektyvų akumuliatorių naudojant įprastus pramoninius miltelius 1668 Ah/l.
Kitas žingsnis buvo perėjimas nuo mikrodalelių prie nanodalelių: itin modernios baterijos ir jų prototipai svarsto ir formuoja medžiagos struktūras nanometro masteliu, kas leido padidinti talpą iki 500 -600 mAh/g (~ 600 Ah / l *) su priimtinu patvarumu

Vienas iš daugelio perspektyvių nanostruktūrų tipų elektroduose yra vadinamasis. apvalkalo šerdies konfigūracija, kai šerdis yra mažo skersmens rutulys iš darbinės medžiagos, o apvalkalas tarnauja kaip „membrana“, neleidžianti dalelėms skilti ir užtikrinanti elektroninį ryšį su aplinka. Vario panaudojimas kaip skardos nanodalelių apvalkalas parodė įspūdingus rezultatus, rodančius didelę talpą (800 mAh/g – 540 mAh/g*) per daugelį ciklų, taip pat esant didelėms įkrovimo / iškrovimo srovėms. Palyginti su anglies apvalkalu (600 mAh/g), jis yra panašus į Si-C.

Kaip pažymėta, norint sumažinti neigiamą darbinės medžiagos išsiplėtimo poveikį, reikia suteikti erdvės plėtimuisi.
Per pastaruosius metus mokslininkai padarė įspūdingą pažangą kurdami veikiančias nanostruktūras: nanorodelius
Jaephil Cho pasiekia 2800 mAh/g mažą galią per 100 ciklų ir 2600 → 2400 esant didesnei galiai, naudodama porėtą silikono struktūrą
taip pat stabilūs Si nanopluoštai, padengti 40 nm grafito plėvele, demonstruojant 3400 → 2750 mAh/g (akt. in-va) po 200 ciklų.
Yan Yao ir kt. siūlo naudoti Si tuščiavidurių sferų pavidalu, kad būtų pasiektas nuostabus patvarumas: pradinė talpa 2725 mah/g (ir tik 336 Ah/l (*)), o talpa po 700 ciklų sumažėja iki 50 %

2011 m. rugsėjį Berkley laboratorijos mokslininkai paskelbė apie stabilaus elektronams laidaus gelio sukūrimą.
kuris galėtų pakeisti silicio medžiagų naudojimą. Vargu ar galima pervertinti šio išradimo reikšmę: naujasis gelis vienu metu gali tarnauti ir kaip laikiklis, ir kaip laidininkas, užkertant kelią nanodalelėms susijungti ir kontakto praradimui. Leidžia naudoti pigias pramonines pudras kaip aktyvią medžiagą ir, pasak kūrėjų, kaina prilygsta tradiciniams laikikliams. Iš pramoninių medžiagų (Si nanomiltelių) pagamintas elektrodas užtikrina stabilų 1360 mAh/g ir labai aukštą 2100 Ah/l (*)

*- autoriaus apskaičiuotas realaus pajėgumo įvertinimas (žr. priedą)
M.S. Foster, C.E. Crouthamelis, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966 m
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 JAV patento paraiška 20080003502.
Sony Nexelion ličio jonų elektrodų medžiagų chemija ir struktūra J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read ir D. Foster Army Research Laboratory 2006 m.
Didelės talpos ličio jonų akumuliatoriaus anodai, naudojantys „Ge nanowires“.
Rutulinis frezavimas Grafito/alavo kompozicinės anodinės medžiagos skystoje terpėje. Ke Wang 2007 m.
Beelektrifikuoti alavo junginiai ant anglies mišinio kaip ličio jonų akumuliatoriaus anodas. Maitinimo šaltinių žurnalas 2009 m.
anglies apvalkalo poveikis Sn-C kompozitiniam ličio jonų baterijų anodui. Kiano Ren ir kt. Jonika 2010.
Nauji Core-Shell Sn-Cu anodai, skirti Li Rech. Baterijos, paruoštos redokso-transmetalavimo būdu, reaguoja. pažangios medžiagos. 2010 m
šerdis dvigubas apvalkalas [apsaugotas el. paštas]@C nanokompozitai kaip anodo medžiagos ličio jonų akumuliatoriams Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Polimerai su pritaikyta elektronine struktūra didelės talpos ličio baterijų elektrodams Gao Liu ir kt. Adv. mater. 2011, 23, 4679–4683
Tarpusavyje sujungtos tuščiavidurės silicio nanosferos, skirtos ličio jonų baterijų anodams su ilgo veikimo ciklu. Yan Yao ir kt. Nano laiškai 2011 m.
Porėtos Si anodo medžiagos ličio įkraunamoms baterijoms, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014
Ličio jonų baterijų elektrodai – naujas būdas pažvelgti į seną elektrochemijos draugijos žurnalą, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
AKUMULIATORIŲ PAtaisymai, JAV patentas 8062556 2006 m.

Taikymas

Specialūs elektrodų konstrukcijų atvejai:

Variu dengtų alavo nanodalelių tikrosios talpos įvertinimas [apsaugotas el. paštas]

Iš gaminio dalelių tūrio santykis yra nuo 1 iki 3 m




0,52 yra miltelių pakavimo santykis. Atitinkamai, likusi tūrio dalis už laikiklio yra 0,48

Nanosferos. Pakavimo santykis.
maža nanosferų tūrinė talpa yra dėl to, kad rutuliai viduje yra tuščiaviduriai, todėl aktyviosios medžiagos pakavimo santykis yra labai mažas

būdas net bus 0,1 , palyginimui už paprastą pudrą - 0,5...07

Keiskite reakcijos anodus. metalo oksidai.

Perspektyvi grupė neabejotinai apima ir metalų oksidus, tokius kaip Fe 2 O 3 . Šioms medžiagoms, turinčioms didelę teorinę talpą, taip pat reikalingi sprendimai, skirti padidinti elektrodo veikliosios medžiagos diskretiškumą. Šiame kontekste tokiai svarbiai nanostruktūrai kaip nanopluoštas bus skiriamas deramas dėmesys.
Oksidai rodo trečią būdą įtraukti ir neįtraukti ličio į elektrodo struktūrą. Jei grafite ličio yra daugiausia tarp grafeno sluoksnių, tirpaluose su siliciu jis įvedamas į jo kristalinę gardelę, tai čia veikiau vyksta „deguonies mainai“ tarp „pagrindinio“ elektrodo metalo ir svečio - ličio. Elektrode susidaro ličio oksido masyvas, o netauriųjų metalų impregnavimas į nanodaleles matricos viduje (žr., pavyzdžiui, reakciją su molibdeno oksidu pav. MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Toks sąveikos pobūdis suponuoja lengvo metalo jonų judėjimo elektrodo struktūroje poreikį, t.y. didelė difuzija, o tai reiškia perėjimą prie smulkių dalelių ir nanostruktūrų

Kalbant apie skirtingą anodo morfologiją, elektroninio ryšio užtikrinimo būdus, be tradicinio (aktyvūs milteliai, grafito milteliai + laikiklis), galima išskirti ir kitas grafito, kaip laidžiosios medžiagos, formas:
Įprastas metodas yra grafeno ir pagrindinės medžiagos derinys, kai nanodalelės gali būti tiesiai ant grafeno „lakšto“, o jis, savo ruožtu, tarnaus kaip laidininkas ir buferis besiplečiant darbinei medžiagai. Ši struktūra buvo pasiūlyta Co 3 O 4 778 mAh/g ir yra gana patvari.Panaši į 1100 mAh/g Fe 2 O 3
tačiau atsižvelgiant į labai mažą grafeno tankį, sunku net įvertinti, kiek tokie sprendimai yra pritaikomi.
Kitas būdas – naudoti grafito nanovamzdelius A.C. Dillon ir kt. Eksperimentuojant su MoO 3, nustatyta didelė 800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l*) talpa ir 5 masės % laikiklio talpos praradimas po 50 ciklų padengimo aliuminio oksidu ir Fe 3 O 4, nenaudojant. laikiklis stabilus 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Pav. dešinėje: SEM vaizdas iš anodo nanopluošto / Fe 2 O 3 su plonais grafito vamzdeliais 5 masės % (balta)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 2 O+xM

Keletas žodžių apie nanopluoštus

Pastaruoju metu nanopluoštai buvo viena iš karštų temų publikuojant medžiagų mokslo leidinius, ypač skirtus perspektyvioms baterijoms, nes jie suteikia didelį aktyvų paviršių ir gerą dalelių ryšį.
Iš pradžių nanopluoštai buvo naudojami kaip tam tikros veikliosios medžiagos nanodalelės, kurios homogeniškame mišinyje su laikikliu ir laidžiomis medžiagomis sudaro elektrodą.
Nanopluošto pakavimo tankio klausimas yra labai sudėtingas, nes jis priklauso nuo daugelio veiksnių. Ir, matyt, tyčia praktiškai neapšviesta (konkrečiai elektrodų atžvilgiu). Dėl to jau sunku analizuoti tikruosius viso anodo rodiklius. Sąmatai sudaryti autorius išdrįso pasinaudoti R. E. Mucko darbu, skirtu šieno tankio bunkeriuose analizei. Sprendžiant iš nanopluoštų SEM vaizdų, optimistinė pakavimo tankio analizė būtų 30–40 proc.
Per pastaruosius 5 metus daugiau dėmesio buvo skirta nanopluošto sintezei tiesiai ant srovės kolektoriaus, o tai turi nemažai rimtų pranašumų:
Užtikrinamas tiesioginis darbinės medžiagos kontaktas su srovės rinktuvu, pagerinamas kontaktas su elektros srove, nebereikia grafito priedų. apeinami keli gamybos etapai, žymiai padidėja darbinės medžiagos pakavimo tankis.
K. Chan ir kt., bandydami Ge nanopluoštus, gautus 1000mAh/g (800Ah/l ) esant mažai galiai ir 800→550 (650→450 Ah/l*) esant 2C temperatūrai po 50 ciklų. Tuo pačiu metu Yanguang Li ir autoriai parodė didelę Co 3 O 4 talpą ir didžiulę galią: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) po 20 ciklų ir 600 mAh / g (480 Ah / l *). ) esant 20 kartų didesniam srovės stiprumui

Įkvepiantys A. Belcher** darbai, kurie yra pirmieji žingsniai į naują biotechnologijų erą, yra pažymėtini ir rekomenduoti visiems susipažinti.
Modifikavus bakteriofago virusą, A.Belcheris dėl natūralaus biologinio proceso sugebėjo sukurti nanopluoštus jo pagrindu kambario temperatūroje. Atsižvelgiant į didelį tokių pluoštų struktūrinį aiškumą, gauti elektrodai yra ne tik nekenksmingi aplinką, bet ir parodo pluošto pakuotės sutankinimą ir žymiai patvaresnį veikimą.

*- autoriaus apskaičiuotas realaus pajėgumo įvertinimas (žr. priedą)
**
Angela Belcher yra puiki mokslininkė (chemikė, elektrochemikė, mikrobiologė). Nano pluoštų sintezės ir jų suskirstymo į elektrodus per specialiai išvestas virusų kultūras išradėjas
(žiūrėti interviu)

Taikymas

Kaip buvo sakyta, anodo įkrova atsiranda per reakciją

Literatūroje neradau nuorodų apie tikruosius elektrodo plėtimosi greičius įkrovimo metu, todėl siūlau jas vertinti pagal kuo mažesnius pokyčius. Tai yra, pagal reagentų ir reakcijos produktų molinių tūrių santykį (V Lihitated - įkrauto anodo tūris, V UnLihitated - iškrauto anodo tūris), galima nesunkiai nustatyti metalų ir jų oksidų tankius. atviruose šaltiniuose.

Skaičiavimo formulės	MoO 3 skaičiavimo pavyzdys

Reikėtų nepamiršti, kad gauta tūrinė talpa yra ištisinės veikliosios medžiagos talpa, todėl, priklausomai nuo struktūros tipo, veiklioji medžiaga užima skirtingą visos medžiagos tūrio dalį, į tai bus atsižvelgta. įvedant pakavimo koeficientą k p . Pavyzdžiui, milteliams tai yra 50–70 proc.

Labai reversinis Co3O4/grafeno hibridinis anodas, skirtas ličio įkraunamam akumuliatoriui. H.Kim ir kt. CARBON 49(2011) 326-332
Nanostruktūrinis redukuoto grafeno oksido/Fe2O3 kompozitas kaip didelio našumo anodo medžiaga ličio jonų baterijoms. ACSNANO T. 4 ▪ NE. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010 m
Nanostruktūriniai metalo oksido anodai. A. C. Dillonas. 2010 m
Naujas būdas pažvelgti į siloso tankį bunkeryje. R. E. Muckas. JAV Pieno pašarų tyrimų centras Madison, Madison WI
Didelės talpos ličio jonų baterijų anodai naudojant Ge nanowires K. Chan et. al. NANO LAIŠKAI 2008 Vol. 8, Nr. 1 307-309
Mezoporinės Co3O4 nanolaidinės matricos, skirtos didelės talpos ir spartos ličio jonų baterijoms. Yanguang Li ir kt. al. NANO LAIŠKAI 2008 Vol. 8, Nr. 1 265-270
Ličio jonų baterijų elektrodų nanolaidų sintezė ir surinkimas su virusu Ki Tae Nam, Angela M. Belcher ir kt. www.sciencexpress.org / 2006 m. balandžio 6 d. / 1 ​​puslapis / 10.1126/science.112271
Silicio anodas su virusu, skirtas ličio jonų baterijoms. Xilin Chen ir kt. ACS Nano, 2010, 4(9), p. 5366–5372.
VIRUSŲ PASTOLIAI, SKIRTI PATS SUSURINČIAMŲ, LANKSČIŲ IR LENGVŲ LIČIO AKUMULIATORIŲ MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Ličio jonų HIT. katodai

Ličio jonų baterijų katodai daugiausia turi priimti ličio jonus ir užtikrinti aukštą įtampą, taigi ir didelę energiją kartu su talpa.

Įdomi situacija susidarė Li-Ion baterijų katodų kūrimo ir gamybos srityje. 1979 m. Johnas Goodenoughas ir Mizuchima Koichi užpatentavo LiMO2 sluoksniuotus Li-Ion baterijų katodus, kurie dengia beveik visus esamus ličio jonų baterijų katodus.
Pagrindiniai katodo elementai
deguonis, kaip grandis, tiltas, taip pat litis „pagauna“ savo elektronų debesimis.
Pereinamasis metalas (t. y. metalas su valentinėmis d-orbitalėmis), nes jis gali sudaryti struktūras su skirtingu jungčių skaičiumi. Pirmuosiuose katoduose buvo naudojama TiS 2 siera, bet vėliau jie perėjo prie deguonies – kompaktiškesnio ir, svarbiausia, labiau elektronegatyvesnio elemento, suteikiančio beveik visiškai joninį ryšį su metalais. Sluoksniuota LiMO 2 (*) struktūra yra labiausiai paplitusi, o visi pokyčiai knibžda aplink tris kandidatus M = Co, Ni, Mn ir nuolat žiūri į labai pigų Fe.

Kobaltas, priešingai nei daugelis dalykų, „Olympus“ užfiksavo iš karto ir vis dar išlaiko jį (90% katodų), tačiau dėl didelio sluoksniuotos struktūros stabilumo ir teisingumo nuo 140 mAh / g LiCoO 2 talpa padidėjo iki 160–170 mAh / g , dėl įtampos diapazono išplėtimo. Tačiau dėl savo retumo Žemėje Co yra per brangus, o jo naudojimas gryna forma gali būti pateisinamas tik mažose baterijose, pavyzdžiui, telefonams. 90% rinkos užima pats pirmasis ir šiuo metu vis dar kompaktiškiausias katodas.
Nikelis buvo ir išlieka perspektyvi medžiaga, turinti aukštą 190 mA/g, tačiau ji yra daug mažiau stabili ir tokios sluoksniuotos struktūros gryna forma Ni nėra. Ličio ekstrahavimas iš LiNiO 2 pagamina beveik 2 kartus daugiau šilumos nei iš LiCoO 2, todėl jo naudojimas šioje srityje yra nepriimtinas.
Manganas. Kita gerai ištirta struktūra yra 1992 m. Jean-Marie Tarasco, mangano oksido špinelio katodas LiMn 2 O 4 : su šiek tiek mažesne talpa ši medžiaga yra daug pigesnė už LiCoO 2 ir LiNiO 2 ir daug patikimesnė. Šiandien tai geras variantas hibridinėms transporto priemonėms. Naujausi pokyčiai yra susiję su nikelio legiravimu su kobaltu, kuris žymiai pagerina jo struktūrines savybes. Taip pat buvo pastebėtas reikšmingas stabilumo pagerėjimas, kai Ni buvo legiruotas elektrochemiškai neaktyviu Mg: LiNi 1-y Mg y O 2 . Ličio jonų katodams yra daug lydinių LiMn x O 2x.
esminė problema- kaip padidinti pajėgumus. Su alavu ir siliciu jau matėme, kad akivaizdžiausias būdas padidinti talpą yra pakilti periodine lentele, bet, deja, nieko nėra aukščiau šiuo metu naudojamų pereinamųjų metalų (pav. dešinėje). Todėl visa pastarųjų metų pažanga, susijusi su katodais, paprastai siejama su esamų trūkumų pašalinimu: ilgaamžiškumo didinimu, kokybės gerinimu, jų derinių tyrinėjimu (paveikslas viršuje kairėje)
Geležis. Nuo ličio jonų eros pradžios buvo daug bandymų katoduose panaudoti geležį, bet nesėkmingai. Nors LiFeO 2 būtų idealus pigus ir galingas katodas, buvo įrodyta, kad Li negali būti išgaunamas iš struktūros normalioje įtampos diapazone. Situacija radikaliai pasikeitė 1997 m., ištyrus Olivine LiFePO 4 e/h savybes. Didelė talpa (170 mAh/g) apie 3,4 V su ličio anodu ir rimto talpos sumažėjimo net po kelių šimtų ciklų. Pagrindinis olivino trūkumas ilgą laiką buvo prastas laidumas, kuris žymiai apribojo galią. Situacijai ištaisyti buvo atlikti klasikiniai judesiai (šlifavimas grafito danga), naudojant gelį su grafitu, buvo galima pasiekti didelę galią esant 120 mAh / g 800 ciklų. Tikrai didžiulė pažanga buvo pasiekta dėl menko Nb dopingo, padidinusio laidumą 8 dydžiais.
Viskas rodo, kad Olivine taps masyviausia medžiaga elektromobiliams. Dėl išimtinio teisių į LiFePO 4 turėjimo A123 Systems Inc. kelerius metus bylinėjosi. ir Black & Decker Corp, ne be pagrindo manydami, kad tai elektromobilių ateitis. Nenustebkite, bet visi patentai pateikti tam pačiam katodų kapitonui - John Goodenough.
Olivinas įrodė galimybę panaudoti pigias medžiagas ir pralaužė savotišką platiną. Inžinerinė mintis iškart puolė į gautą erdvę. Taigi, pavyzdžiui, dabar aktyviai diskutuojama apie sulfatų pakeitimą fluorofosfatais, kurie padidins įtampą 0,8 V, t.y. Padidinkite energiją ir galią 22%.
Tai juokinga: kol vyksta ginčas dėl olivino teisių, susidūriau su daugybe noname gamintojų, siūlančių elementus naujame katode,

* Visi šie junginiai nuolat egzistuoja tik kartu su ličiu. Ir atitinkamai gaminami jau jo prisotinti. Todėl perkant baterijas pagal jas, pirmiausia reikia įkrauti akumuliatorių, distiliuojant dalį ličio iki anodo.
** Suprasdami ličio jonų baterijų katodų vystymąsi, jūs nevalingai pradedate tai suvokti kaip dviejų milžinų: Johno Goodenougho ir Jeano-Marie Tarasco dvikovą. Jei Goodenough užpatentavo savo pirmąjį iš esmės sėkmingą katodą 1980 m. (LiCoO 2 ), Dr. Trasko atsakė po dvylikos metų (Mn 2 O 4 ). Antrasis esminis amerikiečio pasiekimas įvyko 1997 m. (LiFePO 4 ), o praėjusio dešimtmečio viduryje prancūzas plečia idėją pristatydamas LiFeSO 4 F ir dirba ties visiškai organinių elektrodų panaudojimu.
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K.U.S. Patentas 4 302 518, 1980 m.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K.U.S. Patentas 4 357 215, 1981 m.
Ličio jonų baterijų mokslas ir technologijos. Masaki Yoshio, Ralphas J. Broddas, Akiya Kozawa
LiMn2 O4 interkaliacinių junginių paruošimo ir panaudojimo antrinėse ličio baterijose metodas. Barbox; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jeanas Marie. Bell Communications Research Inc. 1992 m. JAV patentas 5 135 732.

Įkraunamas elektrocheminis elementas su stechiometrinio titano disulfido Whittingham katodu; M. Stanley. JAV patentas 4 084 046 1976 m
Kanno, R.; Širanas, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Ličio baterijos ir katodinės medžiagos. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
3,6 V ličio pagrindo fluorosulfato įterpiamas teigiamas elektrodas ličio jonų baterijoms. N. Rechamas1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 ir J-M. Taraskonas. GAMTOS MEDŽIAGA 2009 m. lapkritis.

Taikymas

Katodų talpa vėl apibrėžiama kaip didžiausias krūvis, išgaunamas pagal medžiagos, pavyzdžiui, grupės, svorį
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

Pavyzdžiui, Co

kai Li ekstrahavimo laipsnis x=0,5, medžiagos talpa bus

Įjungta Šis momentas gamybos proceso patobulinimai leido padidinti ištraukimo laipsnį ir pasiekti 160 mAh / g
Tačiau iki šiol dauguma miltelių rinkoje nepasiekia šių skaičių.

ekologinė era.
Apžvalgos pradžioje taršos mažinimą įvardijome kaip vieną iš pagrindinių veiksnių pereinant prie elektromobilių. Bet paimkime, pavyzdžiui, šiuolaikinį hibridinis automobilis: tikrai dega mažiau degalų, tačiau gaminant jam skirtą bateriją 1 kWh sudegina maždaug 387 kWh angliavandenilių. Žinoma, toks automobilis teršalų išmeta mažiau, tačiau nuo šiltnamio efektą sukeliančių dujų gamybos metu vis tiek nepabėgsi (70-100 kg CO 2 1 kWh). Be to, šiuolaikinėje vartotojiškoje visuomenėje prekės nenaudojamos tol, kol neišsenka jų ištekliai. Tai yra, šios energijos paskolos „grąžinimo“ laikotarpis yra trumpas, o šiuolaikinių baterijų utilizavimas yra brangus ir prieinamas ne visur. Taigi energijos vartojimo efektyvumas modernios baterijos vis dar abejotina.
Neseniai atsirado keletas vilčių teikiančių biotechnologijų, leidžiančių sintezuoti elektrodus kambario temperatūroje. A. Belcher (virusai), J.M. Tarasco (bakterijų naudojimas).

Puikus tokios perspektyvios biomedžiagos pavyzdys yra litizuotas oksokarbonatas - Li 2 C 6 O 6 (ličio radizonatas), kuris, turėdamas galimybę grįžtamai sutalpinti iki keturių Li formulėje, pasižymėjo dideliu gravimetriniu pajėgumu, tačiau kadangi redukcija yra susijusi su su pi jungtimis, jo potencialas yra šiek tiek mažesnis (2,4 V). Panašiai kiti aromatiniai žiedai laikomi teigiamo elektrodo pagrindu, taip pat pranešantys apie reikšmingą baterijų sumažėjimą.
Pagrindinis bet kurio „trūkumas“. organiniai junginiai yra mažas jų tankis, nes visa organinė chemija susijusi su lengvaisiais elementais C, H, O ir N. Norint suprasti, kokia perspektyvi ši kryptis, pakanka pasakyti, kad šios medžiagos gali būti gaunamos iš obuolių ir kukurūzų, taip pat yra lengvai perdirbamos ir perdirbamos.
Ličio radisonatas jau būtų laikomas perspektyviausiu katodu automobilių pramonei, jei ne ribotas srovės tankis (galia) ir perspektyviausias nešiojamai elektronikai, jei ne mažas medžiagos tankis (maža tūrio talpa) (1 pav.). kairėje). Tuo tarpu tai vis dar tik vienas iš perspektyviausių darbo frontų.Akumuliatoriai

mobiliuosius įrenginius

Pridėti žymes

„Kvantinė“ baterija

Nuo vasario 26 iki 28 d. Tokijuje vyksta Drive Show, kuriame, be kita ko, dalyvauja Micronics Japan Co. Ltd. Mažai žinoma apie jos ankstesnius pokyčius, tačiau neseniai ji paskelbė, kad sukūrė ir paruošė gamybai naujo tipo sluoksniuotą bateriją. Įmonės parodytas vienas elementas yra n tipo metalo oksido-puslaidininkinės struktūros plėvelė, kurioje naudojamas titano dioksidas, alavo dioksidas ir cinko oksido dalelės, padengtos izoliacine plėvele. Prototipui naudojamas lapas iš nerūdijančio plieno 10 mikronų storio, tačiau netrukus jis bus pakeistas aliuminiu.

Kvantiniai kūrėjai pavadino savo bateriją, kad pabrėžtų fizinę, o ne cheminę prigimtį. Nors energijai kaupti naudojami elektronai, o ne jonai, ši baterija iš esmės skiriasi nuo kondensatorių. Teigiama, kad sistema paremta elektronų saugojimu puslaidininkio „juostoje“.

Gaminant metalo oksido-puslaidininkines konstrukcijas, akumuliatoriaus įkrovos sluoksnis yra apšvitinamas ultravioletiniais spinduliais. Po pagaminimo, įkraunami, elektronai paima laisvą energijos lygį darbinėje medžiagoje ir yra laikomi ten, kol reikia iškrauti akumuliatorių. Rezultatas – įkraunamos baterijos su labai dideliu energijos kaupimo tankiu.
Kokį našumą turi bandomieji pavyzdžiai, nežinoma, tačiau kūrėjas teigia, kad artimiausiu metu pasirodysiantys gamybiniai pavyzdžiai turės iki 500 Wh/l našumą ir tuo pačiu galės tiekti iki 8000 W. didžiausios galios vienam litrui tūrio.
Šios saugyklos derinamos geriausios savybės baterijos ir superkondensatoriai. Net ir turėdami nedidelę talpą, jie galės tiekti didelę didžiausią galią. Iš tokių pavarų pašalinama įtampa jiems išsikraunant nemažėja, bet išlieka stabili iki galo.
Deklaruojamas darbinės temperatūros diapazonas nuo -25 iki +85 °C. Akumuliatoriui gali būti taikoma 100 000 įkrovimo / iškrovimo ciklų, kol jis nukrenta žemiau 90% pradinės talpos. Galimybė greitai paimti ir atiduoti energiją labai sumažins įkrovimo laiką. Be to, šios baterijos yra atsparios ugniai. Jo gamyboje nenaudojamos retos ar brangios medžiagos. Apskritai, yra tiek daug pliusų, kad sunku patikėti.

Savaime įsikraunantis akumuliatorius

Grupė tyrėjų, vadovaujamų Zhonglin Wang (Zhong Lin Wang) iš Džordžijos technologijos instituto (JAV), sukūrė savaime įkraunamą bateriją, kuriai norint įkrauti nereikia prisijungti prie elektros lizdo.
Įrenginys įkraunamas iš mechaninis poveikis, tiksliau – nuo ​​spaudimo. Jį planuojama naudoti išmaniuosiuose telefonuose ir kituose jutikliniuose įrenginiuose.
Kūrėjai padėjo savo įrenginį po skaičiuoklės klavišais ir dėl mygtukų paspaudimo energijos galėjo užtikrinti jo veikimą dienos metu.

Akumuliatorius yra kelių šimtų mikrometrų storio polivinilidenfluorido ir cirkonato-titanato-švino plėvelių „prioras“. Paspaudus, ličio jonai migruoja iš katodo į anodą dėl pjezoelektrinio efekto. Siekdami padidinti prototipo efektyvumą, mokslininkai į jo pjezoelektrinę medžiagą pridėjo nanodalelių, kurios sustiprina atitinkamą efektą, ir žymiai padidino įrenginio įkrovimo talpą bei greitį.
Turite suprasti, kad baterija yra nepermatoma, todėl gali tilpti tik po mygtukais arba po ekranu.
Akumuliatorius nepasižymi tokiomis išskirtinėmis savybėmis kaip anksčiau aprašytas įrenginys (dabar standartinės pagrindinėms plokštėms skirto planšetinio kompiuterio dydžio baterijos talpa išaugo nuo pradinių 0,004 iki 0,010 mAh), tačiau kūrėjai žada padirbėti ties jos efektyvumu. Iki gamybos dizaino dar toli, nors lankstūs ekranai – pagrindiniai įrenginiai, kuriuose kūrėjai planuoja įdėti savo bateriją – dar nėra plačiai naudojami. Dar yra laiko užbaigti savo išradimą ir pristatyti jį į gamybą.

Baterija cukraus pagrindu

Atrodo, kad baterijų kūrimu užsiima tik azijiečiai. Dar vienos neįprastos baterijos prototipas buvo sukurtas Amerikos Virdžinijos politechnikos universitete.

Ši baterija iš esmės veikia su cukrumi, tiksliau maltodekstrinu, polisacharidu, gautu dėl krakmolo hidrolizės. Tokios baterijos katalizatorius yra fermentas. Jis yra daug pigesnis nei platina, kuri dabar naudojama įprastose baterijose. Tokia baterija priklauso fermentinių kuro elementų tipui. Elektra čia gaminama reaguojant deguoniui, orui ir vandeniui. Skirtingai nuo vandenilio kuro elementų, fermentai yra nedegūs ir nesprogi. O akumuliatoriui išnaudojus savo resursus, pasak kūrėjų, jį galima papildyti cukrumi.
APIE Techninės specifikacijos šio tipo mažai žinoma apie baterijas. Tik teigiama, kad energijos tankis juose kelis kartus didesnis nei įprastuose ličio jonų akumuliatoriuose. Tokių baterijų kaina yra žymiai mažesnė nei įprastų, todėl kūrėjai neabejoja, kad per artimiausius 3 metus ras jiems komercinį pritaikymą. Lauksim pažado.

Baterija su granatos konstrukcija

Tačiau mokslininkai iš Stenfordo universiteto Amerikos nacionalinės greitintuvo laboratorijos SLAC nusprendė padidinti įprastų baterijų tūrį, naudodami granatos struktūrą.

Kūrėjai kiek įmanoma sumažino anodų dydį ir kiekvieną iš jų įdėjo į anglies apvalkalą. Tai užkerta kelią jų sunaikinimui. Įkrovimo proceso metu dalelės plečiasi ir susijungia į grupes, kurios taip pat dedamos į anglies apvalkalą. Dėl tokių manipuliacijų šių baterijų talpa yra 10 kartų didesnė nei įprastų ličio jonų baterijų.
Iš eksperimentų matyti, kad po 1000 įkrovimo / iškrovimo ciklų akumuliatorius išlaiko 97% pradinės talpos.
Tačiau dar anksti kalbėti apie komercinį šios technologijos pritaikymą. Silicio nanodaleles per brangu gaminti, o tokių baterijų kūrimo procesas yra per sudėtingas.

Atominės baterijos

Ir galiausiai pakalbėsiu apie plėtrą britų mokslininkai. Jie nusprendė pranokti savo kolegas sukūrę miniatiūrinį branduolinį reaktorių. Surėjaus universiteto mokslininkų sukurtas tričio pagrindo atominės baterijos prototipas gamina pakankamai energijos, kad galėtų maitinti mobilųjį telefoną 20 metų. Tiesa, vėliau jo įkrauti nepavyks.

Baterijoje, kuri yra integruota grandinė, įvyksta branduolinė reakcija, dėl kurios susidaro 0,8 - 2,4 vatai energijos. Darbinė temperatūra baterija yra nuo -50 iki +150. Tačiau ji nebijo aštrūs lašai temperatūra ir slėgis.
Kūrėjai tvirtina, kad baterijoje esantis tritis nėra pavojingas žmogui, nes. jo turinio ten labai mažai. Tačiau apie masinė produkcija apie tokius energijos šaltinius kalbėti dar anksti – mokslininkai dar turi daug tyrimų ir bandymų.

Išvada

Žinoma, ne visos aukščiau išvardintos technologijos ras savo pritaikymą, tačiau reikia suprasti, kad per artimiausius kelerius metus baterijų gamybos technologijoje turėtų įvykti proveržis, kuris lems elektromobilių plitimo ir gamybos šuolį. išmaniųjų telefonų ir kitų Elektroniniai prietaisai naujo tipo.

Įsivaizduok Mobilusis telefonas, kuris išlaiko įkrovimą ilgiau nei savaitę, o vėliau įkraunamas per 15 minučių. Fantastinis? Tačiau tai gali tapti realybe dėl naujo Šiaurės Vakarų universiteto (Evanston, Ilinojaus, JAV) mokslininkų tyrimo. Inžinierių komanda sukūrė ličio jonų įkraunamų baterijų (kurios šiandien naudojamos daugumoje mobiliųjų telefonų) elektrodą, kuris padidino jų energijos talpą 10 kartų. Tai malonios staigmenos neribota - nauja baterijų įrenginiai gali įkrauti 10 kartų greičiau nei dabartiniai.

Norėdami įveikti taikomus apribojimus esamų technologijų dėl akumuliatoriaus energijos talpos ir įkrovimo greičio mokslininkai taikė du skirtingus chemijos inžinerijos metodus. Gauta baterija ne tik prailgins mažų elektroninių prietaisų, tokių kaip telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai, tarnavimo laiką, bet ir atvers kelią efektyvesnių ir kompaktiškesnių elektromobilių akumuliatorių kūrimui.

„Suradome būdą, kaip 10 kartų pailginti naujosios ličio jonų baterijos įkrovos išlaikymo laiką“, – sakė vienas iš pagrindinių tyrimo autorių profesorius Haroldas H. Kungas. „Net po 150 įkrovimo / iškrovimo seansų, o tai reiškia, kad jis veikia mažiausiai metus, jis išlieka penkis kartus efektyvesnis nei šiandien rinkoje esančios ličio jonų baterijos.

Ličio jonų akumuliatoriaus veikimas pagrįstas chemine reakcija, kurios metu ličio jonai juda tarp anodo ir katodo, esančio priešinguose akumuliatoriaus galuose. Akumuliatoriaus veikimo metu ličio jonai migruoja iš anodo per elektrolitą į katodą. Įkraunant jų kryptis pakeičiama visiškai priešinga. Dabartinės baterijos turi du svarbius apribojimus. Jų energijos talpa – tai yra akumuliatoriaus įkrovos išlaikymo laikas – ribojamas įkrovos tankio arba kiek ličio jonų gali tilpti ant anodo ar katodo. Tuo pačiu metu tokios baterijos įkrovimo greitį riboja greitis, kuriuo ličio jonai gali judėti per elektrolitą iki anodo.

Šiuolaikinėse įkraunamose baterijose anodas, pagamintas iš daugelio grafeno lakštų, gali turėti tik vieną ličio atomą kiekvienam šešiems anglies atomams (kurie sudaro grafeną). Bandydami padidinti baterijų energetinę talpą, mokslininkai jau eksperimentavo anglį pakeisti siliciu, kuriame gali būti daug daugiau ličio: kiekvienam silicio atomui tenka keturi ličio atomai. Tačiau įkrovimo proceso metu silicis smarkiai plečiasi ir susitraukia, todėl anodo medžiaga suskaidoma ir dėl to greitai prarandama akumuliatoriaus įkrovimo talpa.

Šiuo metu mažas greitis akumuliatoriaus įkrovimas paaiškinamas grafeno lakštų forma: palyginti su storiu (kuris yra tik vienas atomas), jų ilgis yra pernelyg didelis. Įkrovimo metu ličio jonas turi įveikti atstumą iki išorinių grafeno lakštų kraštų, o tada prasiskverbti tarp jų ir sustoti kažkur viduje. Kadangi litis užtrunka ilgai, kol pasiekia grafeno lakšto vidurį, šalia jo kraštų pastebima kažkas panašaus į jonų spūstį.

Kaip jau minėta, Kungo tyrimų grupė išsprendė abi šias problemas taikydama dvi skirtingas technologijas. Pirma, siekdami užtikrinti silicio stabilumą ir atitinkamai išlaikyti maksimalią akumuliatoriaus įkrovimo talpą, tarp grafeno lakštų jie įdėjo silicio grupes. Tai leido padidinti ličio jonų skaičių elektrode, tuo pat metu naudojant grafeno lakštų lankstumą, kad būtų atsižvelgta į silicio tūrio pokyčius akumuliatoriaus įkrovimo / iškrovimo metu.

„Dabar vienu akmeniu nužudome abu paukščius“, - sako Kungas. „Silicio dėka gauname didesnį energijos tankį, o sluoksnių persipynimas sumažina galios nuostolius, atsirandančius dėl išsiplėtimo siliciui susitraukiant. Net ir sunaikinus silicio sankaupas, pats silicis niekur nedingsta.

Be to, tyrėjai panaudojo cheminės oksidacijos procesą, kad sukurtų miniatiūrines (10–20 nanometrų) skylutes grafeno lakštuose („plokštumos defektai“), kurios suteikia ličio jonams „greitą prieigą“ prie anodo vidaus ir vėliau saugomi tai dėl reakcijos su siliciu. Tai sumažino akumuliatoriaus įkrovimo laiką 10 kartų.

Iki šiol visos pastangos optimizuoti baterijų darbą buvo nukreiptos į vieną iš jų komponentų – anodą. Kitame tyrimo etape mokslininkai planuoja tuo pačiu tikslu ištirti katodo pokyčius. Be to, jie nori patobulinti elektrolitų sistemą, kad akumuliatorius galėtų automatiškai (ir grįžtamai) išsijungti esant aukštai temperatūrai – apsauginis mechanizmas, kuris gali būti naudingas, kai akumuliatoriai naudojami elektromobiliuose.

Pasak kūrėjų, dabartinė forma nauja technologija turėtų patekti į rinką per artimiausius trejus ar penkerius metus. Straipsnis apie naujų baterijų tyrimų ir kūrimo rezultatus buvo paskelbtas žurnale Advanced Energy Materials.

Skaitant klausimą trudnopisaka :

„Būtų įdomu sužinoti apie naujas baterijų technologijas, kurios ruošiamos masinei gamybai."

Na, žinoma, masinės gamybos kriterijus yra šiek tiek išplėstas, bet pabandykime išsiaiškinti, kas dabar yra perspektyvi.

Štai ką chemikai sugalvojo:

Celės įtampa voltais (vertikali) ir specifinė katodo talpa (mAh/g) nauja baterija iš karto po jo pagaminimo (I), pirmojo iškrovimo (II) ir pirmojo įkrovimo (III) (iliustracija Hee Soo Kim ir kt./Nature Communications).

Kalbant apie energijos potencialą, akumuliatoriai, kurių pagrindą sudaro magnio ir sieros derinys, gali apeiti ličio baterijas. Tačiau iki šiol niekam nepavyko priversti šių dviejų medžiagų veikti kartu baterijos elemente. Dabar su tam tikromis išlygomis specialistų grupei JAV pavyko.

„Toyota“ mokslininkai tyrimų institutas V Šiaurės Amerika(TRI-NA) bandė išspręsti pagrindinė problema, trukdantis kurti magnio-sieros baterijas (Mg/S).

Pritaikyta iš Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos.

Vokiečiai išrado fluoro jonų akumuliatorių

Be visos elektrocheminių srovės šaltinių armijos, mokslininkai sukūrė dar vieną variantą. Teigiami pranašumai yra mažesnis gaisro pavojus ir dešimt kartų didesnė specifinė talpa nei ličio jonų akumuliatoriai.

Karlsrūhės technologijos instituto (KIT) chemikai sukūrė baterijos koncepciją, pagrįstą metalų fluoridais, ir netgi išbandė kai kuriuos nedidelius laboratorinius mėginius.

Tokiose baterijose fluoro anijonai yra atsakingi už krūvių perdavimą tarp elektrodų. Akumuliatoriaus anode ir katode yra metalų, kurie, priklausomai nuo srovės krypties (įkrovimo ar iškrovimo), paeiliui virsta fluoridais arba vėl redukuojami į metalus.

„Kadangi vienas metalo atomas gali priimti arba atiduoti kelis elektronus vienu metu, ši koncepcija leidžia pasiekti itin didelį energijos tankį – iki dešimties kartų didesnį nei įprastų ličio jonų baterijų“, – sako bendraautorius dr. Maximilianas Fichtneris.

Norėdami patikrinti idėją, vokiečių mokslininkai sukūrė kelis tokių baterijų pavyzdžius, kurių skersmuo yra 7 milimetrai, o storis - 1 mm. Autoriai ištyrė keletą elektrodų medžiagų (pavyzdžiui, vario ir bismuto kartu su anglimi) ir sukūrė elektrolitą lantano ir bario pagrindu.

Tačiau toks kietas elektrolitas yra tik tarpinis žingsnis. Ši kompozicija, praleidžianti fluoro jonus, gerai veikia tik tada, kai aukštos temperatūros. Todėl chemikai ieško jam pakaitalo – skysto elektrolito, kuris veiktų kambario temperatūroje.

(Išsamią informaciją rasite instituto pranešime spaudai ir straipsnyje „Journal of Materials Chemistry“.)

Ateities baterijos

Kas laukia akumuliatorių rinkos ateityje, kol kas sunku nuspėti. Ličio baterijos vis dar karaliauja ir turi gerą potencialą dėl ličio polimerų plėtros. Sidabro-cinko elementų įvedimas yra labai ilgas ir brangus procesas, o jo tikslingumas vis dar diskutuotinas klausimas. Kuro elementų ir nanovamzdelių technologijos buvo giriamos ir apibūdinamos pačiais gražiausiais terminais jau daugelį metų, tačiau kalbant apie praktiką, realūs produktai yra arba per dideli, arba per brangūs, arba abu. Aišku tik viena – ateinančiais metais ši industrija ir toliau aktyviai vystysis, nes nešiojamųjų įrenginių populiarumas auga didžiuliais šuoliais.

Lygiagrečiai su nešiojamaisiais kompiuteriais orientuota į darbas neprisijungus, vystosi stalinių nešiojamųjų kompiuterių kryptis, kurioje baterija veikiau atlieka atsarginio UPS vaidmenį. Neseniai „Samsung“ išleido panašų nešiojamąjį kompiuterį be akumuliatoriaus.

IN NiCd-akumuliatoriai taip pat turi elektrolizės galimybę. Kad jose nesikauptų sprogus vandenilis, baterijose sumontuoti mikroskopiniai vožtuvai.

garsiame institute MIT neseniai buvo sukurtas unikali technologija gamyba ličio baterijos specialiai apmokytų virusų pastangomis.

Nors kuro elementas Išoriškai jis visiškai skiriasi nuo tradicinės baterijos, veikia pagal tuos pačius principus.

O kas dar pasakys daug žadančių nurodymų?

Daugiau nei prieš 200 metų vokiečių fizikas Wilhelmas Ritteris sukūrė pirmąją pasaulyje bateriją. Palyginti su tuomet buvusia A. Volta baterija, Wilhelmo saugojimo įrenginį buvo galima ne kartą įkrauti ir iškrauti. Per du šimtmečius elektros akumuliatorius labai pasikeitė, tačiau skirtingai nei „ratas“, jis vis dar išrastas iki šiol. Šiandien naujas technologijas baterijų gamyboje diktuoja atsiradimas naujausi įrenginiai reikalingas nepriklausomas maitinimo šaltinis. Nauji ir galingesni dalykėliai, elektromobiliai, skraidantys dronai – visiems šiems įrenginiams reikalingos mažesnės, lengvesnės, tačiau talpesnės ir patvaresnės baterijos.

Pagrindinę akumuliatoriaus struktūrą galima apibūdinti trumpai – tai elektrodai ir elektrolitas. Būtent nuo elektrodų medžiagos ir elektrolito sudėties priklauso akumuliatoriaus charakteristikos ir nustatomas jo tipas. Šiuo metu yra daugiau nei 33 įkraunamų maitinimo šaltinių tipai, tačiau dažniausiai naudojami šie:

• švino rūgštis;
• nikelio-kadmio;
• nikelio-metalo hidridas;
• ličio jonų;
• ličio polimeras;
• nikelio-cinko.

Bet kurio iš jų darbas yra grįžtamoji cheminė reakcija, tai yra reakcija, kuri įvyksta iškrovimo metu, atkuriama įkrovimo metu.

Akumuliatorių panaudojimo sritis yra gana plati ir, priklausomai nuo to, kokio tipo prietaisas iš jo veikia, akumuliatoriui keliami tam tikri reikalavimai. Pavyzdžiui, programėlėms jis turėtų būti lengvas, minimalaus dydžio ir turėti pakankamai didelės talpos. Elektriniam įrankiui ar skraidančiam dronui atatrankos srovė yra svarbi, nes suvartojama elektros srovė pakankamai aukštas. Tuo pačiu yra reikalavimai, kurie galioja visoms baterijoms – tai didelė talpa ir įkrovimo ciklų resursas.

Šiuo klausimu dirba viso pasaulio mokslininkai, atliekama daug tyrimų ir bandymų. Deja, daugelis projektų, kurie parodė puikius elektrinius ir eksploatacinius rezultatus, buvo per brangūs ir nebuvo išleisti masinė produkcija. SU techninė pusė, geriausios medžiagos baterijų kūrimui naudojamas sidabras ir auksas, o ekonominiu požiūriu tokio gaminio kaina vartotojui bus neprieinama. Tuo pačiu metu naujų sprendimų paieškos nesiliauja, o pirmasis reikšmingas proveržis buvo ličio jonų baterija.

Pirmą kartą jis buvo pristatytas 1991 m Japonijos kompanija Sony. Baterija pasižymėjo dideliu tankiu ir mažu savaiminio išsikrovimu. Tačiau ji turėjo trūkumų.

Pirmoji tokių maitinimo šaltinių karta buvo sprogstama. Laikui bėgant ant anodo kaupėsi dendritai, dėl kurių įvyko trumpasis jungimas ir gaisras. Naujos kartos tobulinimo procese buvo naudojamas grafito anodas ir šis trūkumas buvo pašalintas.

Antrasis trūkumas buvo atminties efektas. Dėl nuolatinio nepilno įkrovimo akumuliatorius prarado talpą. Papildytas šio trūkumo pašalinimo darbas nauja tendencija noras miniatiūrizuoti. Noras sukurti itin plonus išmaniuosius telefonus, ultrabookus ir kitus įrenginius reikalavo mokslo, kad būtų sukurtas naujas maitinimo šaltinis. Be to, jau pasenusi ličio jonų baterija nepatenkino modeliuotojų poreikių, kuriems reikėjo naujo daug didesnio tankio ir didelės išėjimo srovės elektros šaltinio.

Dėl to ličio jonų modelyje buvo panaudotas polimerinis elektrolitas, o efektas pranoko visus lūkesčius.

Patobulintas modelis ne tik neturėjo atminties efekto, bet ir visais atžvilgiais kelis kartus pranašesnis už savo pirmtaką. Pirmą kartą pavyko sukurti tik 1 mm storio bateriją. Tuo pačiu metu jo formatas galėtų būti pats įvairiausias. Tokios baterijos iš karto pradėjo būti labai paklausios tiek tarp modeliuotojų, tiek tarp mobiliųjų telefonų gamintojų.

Tačiau vis tiek buvo trūkumų. Paaiškėjo, kad elementas kelia gaisrą, įkaito įkrovimo metu ir gali užsidegti. Šiuolaikinės polimerinės baterijos turi įmontuotą grandinę, kad būtų išvengta perkrovimo. Taip pat rekomenduojama juos įkrauti tik su specialiais įkrovikliai tiekiami arba panašūs modeliai.

Nemažiau nei svarbi savybė baterija - kaina. Šiandien tai yra daugiausia didelė problema baterijų kūrimo kelyje.

Elektromobilio galia

„Tesla Motors“ kuria baterijas naudodama naujas technologijas, pagrįstas komponentais prekės ženklas Panasonic. Galiausiai paslaptis neatskleidžiama, tačiau testo rezultatas džiugina. Ecomobile Tesla modelis S su tik 85 kWh talpos baterija nuvažiavo kiek daugiau nei 400 km vienu įkrovimu. Žinoma, pasaulis neapsieina be smalsuolių, todėl viena iš šių 45 000 USD vertės baterijų vis dėlto buvo atidaryta.

Viduje buvo daug Panasonic ličio jonų elementų. Tuo pačiu metu skrodimas nedavė visų atsakymų, kuriuos norėčiau gauti.

Ateities technologijos

Nepaisant ilgas laikotarpis sąstingis, mokslas yra ant didelio proveržio slenksčio. Visai gali būti, kad rytoj mobilusis telefonas be įkrovimo veiks mėnesį, o elektromobilis vienu įkrovimu nuvažiuos 800 km.

Nanotechnologijos

Pietų Kalifornijos universiteto mokslininkai teigia, kad grafito anodus pakeitus 100 nm skersmens silicio laidais, baterijos talpa padidės 3 kartus, o įkrovimo laikas sutrumpės iki 10 minučių.

Stanfordo universitetas pasiūlė iš esmės naujos rūšies anodai. Porėti anglies nanolaideliai, padengti siera. Anot jų, toks maitinimo šaltinis sukaupia 4-5 kartus daugiau elektros energijos nei Li-ion akumuliatorius.

Tai pareiškė JAV mokslininkas Davidas Kizaylus įkraunamos baterijos remiantis magnetito kristalais bus ne tik talpesnis, bet ir palyginti pigus. Juk šiuos kristalus galima gauti iš vėžiagyvių dantų.

Vašingtono universiteto mokslininkai į dalykus žiūri praktiškiau. Jie jau užpatentavo naujas baterijų technologijas, kuriose vietoj grafito elektrodo naudojamas alavo anodas. Visa kita nepasikeis ir naujos baterijos gali nesunkiai pakeisti senas mums žinomuose dalykėliuose.

Revoliucija šiandien

Vėl elektromobiliai. Kol kas jie vis dar nusileidžia automobiliams pagal galią ir ridą, tačiau tai neilgam. Taip sako korporacijos IBM atstovai, pasiūlę ličio-oro baterijų koncepciją. Be to, šiais metais vartotojui žadama pristatyti visais atžvilgiais pranašesnį naują maitinimo šaltinį.