Apsveriet pašu pirmo strāvas avotu, ko izgudroja Volta un kam ir Galvani vārds.

Strāvas avots jebkurā akumulatorā var būt tikai redoksreakcija. Faktiski tās ir divas reakcijas: atoms tiek oksidēts, kad tas zaudē elektronu. Elektrona iegūšanu sauc par atgūšanu. Tas ir, redoksreakcija notiek divos punktos: no kurienes un kur plūst elektroni.

Divi metāli (elektrodi) ir iegremdēti to sērskābes sāļu ūdens šķīdumā. Viena elektroda metāls tiek oksidēts, bet otrs tiek reducēts. Reakcijas iemesls ir tāds, ka viena elektroda elementi piesaista elektronus spēcīgāk nekā otra elementi. Metāla elektrodu pārī Zn - Cu vara jonam (nevis neitrālam savienojumam) ir lielāka spēja piesaistīt elektronus, tāpēc, kad ir iespēja, elektrons pāriet uz spēcīgāku saimnieku, un cinka jons tiek izvilkts. skābes šķīdums nonāk elektrolītā (dažā jonu vadošā viela). Elektronu pārnešana tiek veikta pa vadītāju caur ārēju elektrisko tīklu. Paralēli negatīva lādiņa kustībai pretējā virzienā caur elektrolītu pārvietojas pozitīvi lādēti joni (anjoni) (skat. video)

Visos CHIT pirms litija jonu elektrolīts ir aktīvs notiekošo reakciju dalībnieks.
skatiet svina akumulatora darbības principu

Galvani kļūda

Elektrolīts ir arī strāvas vadītājs, tikai otrā veida, kurā lādiņa kustību veic joni. Cilvēka ķermenis ir tieši šāds vadītājs, un muskuļi saraujas anjonu un katjonu kustības dēļ.
Tātad L. Galvani nejauši savienoja divus elektrodus caur dabisku elektrolītu – izdalītu vardi.

HIT raksturojums

Jauda - elektronu skaits (elektroniskais lādiņš), ko var izlaist caur pievienoto ierīci, līdz akumulators ir pilnībā izlādējies [Q] vai
Visa akumulatora ietilpību veido katoda un anoda kapacitāte: cik elektronu anods spēj atdot un cik elektronu katods spēj pieņemt. Protams, mazākā no abām iespējām būs ierobežojoša.

Spriegums - potenciāla starpība. enerģijas raksturlielums, kas parāda, kādu enerģiju atbrīvo vienības lādiņš, pārejot no anoda uz katodu.

Enerģija ir darbs, ko var veikt ar doto HIT, līdz tas ir pilnībā izlādējies [J] vai
Jauda - enerģijas izlaides vai darba ātrums laika vienībā
Izturība vai Kulona efektivitāte- cik procenti no jaudas tiek neatgriezeniski zaudēti uzlādes-izlādes cikla laikā.

Visi raksturlielumi tiek prognozēti teorētiski, tomēr daudzu grūti ņemamu faktoru dēļ lielākā daļa raksturlielumu tiek precizēti eksperimentāli. Tāpēc tos visus var paredzēt ideālajam gadījumam, pamatojoties uz ķīmiju, taču makrostruktūrai ir milzīga ietekme gan uz jaudu, gan jaudu un izturību.

Tātad izturība un ietilpība lielā mērā ir atkarīga gan no uzlādes/izlādes ātruma, gan no elektroda makrostruktūras.
Tāpēc akumulatoru raksturo nevis viens parametrs, bet gan viss komplekts dažādi režīmi. Piemēram, akumulatora spriegumu (vienības uzlādes pārneses enerģiju**) var novērtēt kā pirmo tuvinājumu (materiālu perspektīvas stadijā) no vērtībām jonizācijas enerģijas aktīvo vielu atomi oksidācijas un reducēšanas laikā. Bet patiesā vērtība ir ķīmijas atšķirība. potenciālus, kuru mērīšanai, kā arī uzlādes/izlādes līkņu ņemšanai tiek samontēta testa šūna ar testa elektrodu un atskaites elektrodu.

Uz elektrolītu bāzes ūdens šķīdumi izmantojot standarta ūdeņraža elektrodu. Litijam-Ionam - metālisks litijs.

*Jonizācijas enerģija ir enerģija, kas jāpiešķir elektronam, lai pārtrauktu saikni starp to un atomu. Tas ir, ņemts ar pretēju zīmi, apzīmē saites enerģiju, un sistēma vienmēr cenšas samazināt saites enerģiju.
** Viena pārvades enerģija - viena elementārā lādiņa pārneses enerģija 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] vai 1eV (elektronvolts)

Li-ion akumulatori

<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.
Kā jau minēts, litija jonu akumulatoros elektrolīts tieši nepiedalās reakcijā. Kur notiek divas galvenās reakcijas: oksidēšanās un reducēšana, un kā tiek izlīdzināts lādiņu līdzsvars?
Tieši šīs reakcijas notiek starp litiju anodā un metāla atomu katoda struktūrā. Kā minēts iepriekš, litija jonu akumulatoru parādīšanās nav tikai jaunu elektrodu savienojumu atklāšana, bet arī jauna skaidras naudas pārvadājumu darbības principa atklāšana:
Elektrons, kas vāji saistīts ar anodu, izplūst pa ārējo vadītāju uz katodu.
Katodā elektrons nokrīt metāla orbītā, kompensējot 4. elektronu, ko praktiski no tā atņem skābeklis. Tagad metāla elektrons beidzot pievienojas skābeklim, un iegūtais elektriskais lauks ievelk litija jonu spraugā starp skābekļa slāņiem. Tādējādi litija jonu akumulatoru milzīgā enerģija tiek panākta, nenodarbojoties ar ārējo 1,2 elektronu atjaunošanu, bet gan ar "dziļāku" atjaunošanu. Piemēram, koboltam 4. elektrons.
Litija joni tiek saglabāti katodā vājas, aptuveni 10 kJ/mol, mijiedarbības dēļ (van der Vāls) ar skābekļa atomu elektronu mākoņiem, kas tos ieskauj (sarkans)

Li ir trešais elements , tam ir mazs atomu svars un mazs izmērs. Sakarā ar to, ka litijs sākas un turklāt tikai otrā rinda, neitrālā atoma izmērs ir diezgan liels, savukārt jona izmērs ir ļoti mazs, mazāks par hēlija un ūdeņraža atomu izmēriem, kas padara to praktiski neaizstājams LIB shēmā. citas iepriekšminētā sekas: ārējam elektronam (2s1) ir niecīga saite ar kodolu un to var viegli zaudēt (tas izpaužas faktā, ka litijam ir viszemākais potenciāls attiecībā pret ūdeņraža elektrodu P=-3,04V).

LIB galvenās sastāvdaļas

Elektrolīts

Atšķirībā no tradicionālajām baterijām elektrolīts kopā ar separatoru tieši nepiedalās reakcijā, bet tikai nodrošina litija jonu transportēšanu un neļauj transportēt elektronus.
Elektrolīta prasības:
- laba jonu vadītspēja
- zems elektroniskais
- lēts
- viegls svars
- netoksicitāte
- SPĒJA STRĀDĀT IESTATĪTAJĀ SPRIEGUMA UN TEMPERATŪRAS DIAPĀRĀ
- novērst strukturālās izmaiņas elektrodos (novērst kapacitātes samazināšanos)
Šajā apskatā es atļaušos apiet elektrolītu tēmu, kas ir tehniski sarežģīta, bet mūsu tēmai ne tik svarīga. LiFP 6 šķīdumu galvenokārt izmanto kā elektrolītu
Lai gan tiek uzskatīts, ka elektrolīts ar separatoru ir absolūts izolators, patiesībā tas tā nav:
Litija jonu šūnās ir pašizlādes parādība. tie. litija jons ar elektroniem caur elektrolītu sasniedz katodu. Tāpēc ilgstošas ​​uzglabāšanas gadījumā akumulators ir jāuztur daļēji uzlādēts.
Ar ilgstošiem darbības pārtraukumiem notiek arī novecošanās parādība, kad atsevišķas grupas tiek atdalītas no vienmērīgi piesātināta litija jona, pārkāpjot koncentrācijas vienmērīgumu un tādējādi samazinot kopējo jaudu. Tāpēc, pērkot akumulatoru, jums jāpārbauda izlaišanas datums

Anodi

Anodi ir elektrodi, kuriem ir vāja saite gan ar “viesu” litija jonu, gan ar atbilstošo elektronu. Pašlaik ir vērojams uzplaukums dažādu litija jonu akumulatoru anoda risinājumu izstrādē.
prasības anodiem

• Augsta elektroniskā un jonu vadītspēja (ātrs litija iekļaušanas / ekstrakcijas process)
• Zems spriegums ar testa elektrodu (Li)
• Liela īpatnējā jauda
• Augsta anoda struktūras stabilitāte litija ievietošanas un ekstrakcijas laikā, kas ir atbildīgs par Kulonu

Uzlabošanas metodes:

• Mainiet anoda vielas struktūras makrostruktūru
• Samaziniet vielas porainību
• Izvēlieties jaunu materiālu.
• Izmantojiet jauktus materiālus
• Uzlabojiet fāzes robežas īpašības ar elektrolītu.

Kopumā LIB anodus var iedalīt 3 grupās atkarībā no tā, kā litijs ir novietots tā struktūrā:

Anodi ir saimnieki. Grafīts

Gandrīz visi no vidusskolas atceras, ka ogleklis cietā veidā pastāv divās pamatstruktūrās – grafītā un dimantā. Šo divu materiālu īpašību atšķirība ir pārsteidzoša: viens ir caurspīdīgs, otrs nav. Viens izolators ir cits vadītājs, viens griež stiklu, otrs berzē pret papīru. Iemesls ir starpatomu mijiedarbības atšķirīgais raksturs.
Dimants ir kristāla struktūra, kurā sp3 hibridizācijas dēļ veidojas starpatomiskās saites, tas ir, visas saites ir vienādas – visi trīs 4 elektroni veido σ-saites ar citu atomu.
Grafīts veidojas sp2 hibridizācijas rezultātā, kas nosaka slāņainu struktūru un vāju saikni starp slāņiem. “Peldošās” kovalentās π-saites klātbūtne padara grafīta oglekli par lielisku vadītāju
Grafīts ir pirmais un mūsdienās galvenais anoda materiāls, kam ir daudz priekšrocību.
Augsta elektroniskā vadītspēja
Augsta jonu vadītspēja
Nelielas tilpuma deformācijas litija atomu ievadīšanas laikā
Lēts
Pirmo grafītu kā anoda materiālu tālajā 1982. gadā ierosināja S. Basu un 1985. gadā litija jonu šūnā ievietoja A. Jošino.
Sākumā elektrodā tika izmantots grafīts tā dabiskajā formā un tā jauda sasniedza tikai 200 mAh/g. Galvenais resurss jaudas palielināšanai bija grafīta kvalitātes uzlabošana (struktūras uzlabošana un attīrīšana no piemaisījumiem). Fakts ir tāds, ka grafīta īpašības ievērojami atšķiras atkarībā no tā makrostruktūras, un daudzu anizotropo graudu klātbūtne struktūrā, kas ir atšķirīgi orientēti, būtiski pasliktina vielas difūzijas īpašības. Inženieri mēģināja palielināt grafitizācijas pakāpi, taču tās palielināšanās izraisīja elektrolīta sadalīšanos. Pirmais risinājums bija izmantot sasmalcinātu zemu grafitizētu oglekli, kas sajaukta ar elektrolītu, kas palielināja anoda jaudu līdz 280mAh/g (tehnoloģija joprojām tiek plaši izmantota).Tas tika pārvarēts 1998. gadā, ieviešot elektrolītā īpašas piedevas, kas rada aizsargājošu piedevu. slānis pirmajā ciklā (turpmāk tekstā SEI cietā elektrolīta saskarne), kas novērš turpmāku elektrolīta sadalīšanos un ļauj izmantot mākslīgo grafītu 320 mAh / g. Šobrīd grafīta anoda jauda ir sasniegusi 360 mAh/g, bet visa elektroda jauda ir 345 mAh/g un 476 Ah/l.

Reakcija: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

Grafīta struktūra spēj uzņemt ne vairāk kā 1 Li atomu uz 6 C, tāpēc maksimālā sasniedzamā jauda ir 372 mAh / g (tas nav tik daudz teorētisks skaitlis, cik plaši izmantots skaitlis, jo šeit ir retākais gadījums, kad kaut kas reāls pārsniedz teorētisko, jo praksē litija jonus var novietot ne tikai šūnu iekšpusē, bet arī uz grafīta graudu lūzumiem)
Kopš 1991. gada grafīta elektrods ir piedzīvojis daudzas izmaiņas, un šķiet, ka dažos raksturlielumos kā neatkarīgs materiāls ir sasniedzis savus griestus. Galvenais uzlabošanas lauks ir jaudas palielināšana, t.i. Akumulatora izlādes/uzlādes rādītāji. Jaudas palielināšanas uzdevums vienlaikus ir arī izturības palielināšanas uzdevums, jo ātra anoda izlāde/uzlāde noved pie grafīta struktūras iznīcināšanas caur to “izstieptiem” litija joniem. Papildus standarta paņēmieniem jaudas palielināšanai, kas parasti attiecas uz virsmas/tilpuma attiecības palielināšanu, ir jāatzīmē grafīta monokristāla difūzijas īpašību izpēte dažādos kristāla režģa virzienos, kas parāda, ka Litija difūzijas ātrums var atšķirties par 10 kārtām.

K.S. Novoselovs un A.K. Geims - 2010. gada Nobela prēmijas laureāti fizikā Grafēna neatkarīgas izmantošanas pionieri
Bell Laboratories U.S. Patents 4,423,125
Asahi Chemical Ind. Japānas patents 1989293
Ube Industries Ltd. ASV patents 6 033 809
Masaki Jošio, Akija Kozava un Ralfs J. Brods. Litija jonu akumulatoru zinātne un tehnoloģijas Springer 2009.
Litija difūzija grafiskā ogleklī Kristin Persson at.al. Fiz. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010. gads
Litija interkalētā grafīta LiC6 strukturālās un elektroniskās īpašības, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Pārskats 2003.
Aktīvs materiāls litija jonu akumulatorā izmantotajam negatīvajam elektrodam un ražošanas metode. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923.908 2003.g
Elektrodu blīvuma ietekme uz cikla veiktspēju un neatgriezenisks jaudas zudums dabiskajam grafīta anodam litija jonu akumulatoros. Džonpjo Šima un Katrīna A. Strībela

Anodi Tin and Co. Sakausējumi

Līdz šim vieni no daudzsološākajiem ir anodi no periodiskās tabulas 14. grupas elementiem. Pat pirms 30 gadiem tika labi pētīta alvas (Sn) spēja veidot sakausējumus (intersticiālus šķīdumus) ar litiju. Tikai 1995. gadā Fuji paziņoja par anoda materiālu uz alvas bāzes (sk., piemēram,
Bija loģiski sagaidīt, ka tās pašas grupas vieglākajiem elementiem būs tādas pašas īpašības, un patiešām silīcija (Si) un germānija (Ge) uzrāda identisku litija pieņemšanas modeli.
Li 22 Sn 5 , Li 22 Ge 5 , Li 15 Si 4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Galvenās un vispārējās grūtības šīs materiālu grupas izmantošanā ir milzīgas, no 357% līdz 400%, tilpuma deformācijas, piesātinot ar litiju (uzlādes laikā), kas izraisa lielus kapacitātes zudumus kontakta ar strāvu zuduma dēļ. kolektors ar daļu no anoda materiāla.

Iespējams, ka šīs grupas sarežģītākais elements ir alva:
būdams vissmagākais, dod smagākus risinājumus: šāda anoda maksimālā teorētiskā kapacitāte ir 960 mAh/g, bet kompaktais (7000 Ah/l -1960Ah/l* ) tomēr 3 un 8 (2,7*) reizes pārspēj tradicionālos oglekļa anodus. , attiecīgi.
Perspektīvākie ir anodi uz silīcija bāzes, kas teorētiski (4200 mAh/g ~3590mAh/g) ir vairāk nekā 10 reizes vieglāki un 11 (3,14*) reizes kompaktāki (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) nekā grafīts. anodi.
Si nav pietiekamas elektroniskās un jonu vadītspējas, kas liek mums meklēt papildu līdzekļus anoda jaudas palielināšanai.
Ge , germānija netiek pieminēta tik bieži kā Sn un Si, taču, būdams starpprodukts, tam ir liela (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / l) ietilpība un 400 reizes augstāka jonu vadītspēja nekā Si, kas var atsvērt tā augstās izmaksas. lieljaudas elektrotehnikas izveidei

Līdzās lielām tilpuma deformācijām pastāv vēl viena problēma:
jaudas zudums pirmajā ciklā litija neatgriezeniskas reakcijas dēļ ar oksīdiem

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

Kuras ir lielākas, jo lielāks ir elektroda kontakts ar gaisu (jo lielāks virsmas laukums, t.i., jo smalkāka struktūra)
Ir izstrādātas daudzas shēmas, kas vienā vai otrā pakāpē ļauj izmantot šo savienojumu lielo potenciālu, izlīdzinot trūkumus. Tomēr, kā arī priekšrocības:
Visi šie materiāli pašlaik tiek izmantoti anodos, kas apvienoti ar grafītu, palielinot to raksturlielumus par 20-30%.

* vērtības ir atzīmētas, autora labotas, jo parastie skaitļi neņem vērā ievērojamu tilpuma pieaugumu un darbojas ar aktīvās vielas blīvuma vērtību (pirms piesātinājuma ar litiju), un tāpēc tie neatspoguļo reālais stāvoklis vispār

Džumass, Žans Klods, Lipenss, Pjērs Emanuels, Olivjē Furkads, Žozete, Roberts, Florāns Vilmans, Patriks 2008
ASV patenta pieteikums 20080003502.
Sony Nexelion ķīmija un struktūra
Litija jonu elektrodu materiāli
J. Volfenstīns, J. L. Alens,
J. Read un D. Foster
Armijas pētniecības laboratorija 2006.

Elektrodi litija jonu akumulatoriem — jauns veids, kā aplūkot veco problēmu
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008ƒ.

Esošie notikumi

Visi esošie lielo anoda deformāciju problēmas risinājumi izriet no viena apsvēruma: izplešanās laikā mehānisko spriegumu cēlonis ir sistēmas monolītais raksturs: sadalīt monolītu elektrodu daudzās iespējamās mazākās konstrukcijās, ļaujot tām izplesties neatkarīgi no katras. cits.
Pirmā, visredzamākā metode ir vienkārša vielas slīpēšana, izmantojot kaut kādu turētāju, kas neļauj daļiņām apvienoties lielākās, kā arī iegūtā maisījuma piesātināšana ar elektronu vadošiem līdzekļiem. Līdzīgu risinājumu varētu izsekot grafīta elektrodu evolūcijā. Šī metode ļāva panākt zināmu progresu anodu kapacitātes palielināšanā, bet tomēr līdz pilnīgai aplūkojamo materiālu potenciāla atklāšanai, palielinot anoda jaudu (gan tilpumu, gan masu) par ~ 10- 30% (400 -550 mAh / g) ar zemu jaudu
Salīdzinoši agrīna metode nanoizmēra alvas daļiņu ievadīšanai (ar elektrolīzi) uz grafīta sfēru virsmas,
Atjautīga un vienkārša pieeja problēmai ļāva izveidot efektīvu akumulatoru, izmantojot parasto rūpniecisko pulveri 1668 Ah/l
Nākamais solis bija pāreja no mikrodaļiņām uz nanodaļiņām: ultramodernās baterijas un to prototipi izskata un veido vielas struktūras nanometru mērogā, kas ļāva palielināt jaudu līdz 500 -600 mAh / g (~ 600 Ah / l *) ar pieņemamu izturību

Viens no daudzsološajiem nanostruktūru veidiem elektrodos ir t.s. čaulas kodola konfigurācija, kur kodols ir neliela diametra lodīte no darba vielas, un apvalks kalpo kā “membrāna”, kas neļauj daļiņām saplīst un nodrošina elektronisku saziņu ar vidi. Vara izmantošana kā alvas nanodaļiņu apvalks uzrādīja iespaidīgus rezultātus, uzrādot lielu jaudu (800 mAh/g - 540 mAh/g *) daudzos ciklos, kā arī pie lielām uzlādes/izlādes strāvām. Salīdzinot ar oglekļa apvalku (600 mAh/g), tas ir līdzīgs Si-C.

Kā minēts, lai samazinātu darba vielas straujas izplešanās kaitīgo ietekmi, ir jānodrošina vieta izplešanās procesam.
Pagājušajā gadā pētnieki ir guvuši iespaidīgus panākumus, veidojot funkcionējošas nanostruktūras: nanostieņus
Jaephil Cho sasniedz 2800 mAh/g zemu jaudu 100 ciklos un 2600 → 2400 ar lielāku jaudu, izmantojot porainu silikona struktūru
kā arī stabilas Si nanošķiedras, kas pārklātas ar 40nm grafīta plēvi, demonstrējot 3400 → 2750 mAh/g (act. in-va) pēc 200 cikliem.
Yan Yao et al. ierosina izmantot Si dobu sfēru veidā, panākot pārsteidzošu izturību: sākotnējā jauda ir 2725 mah/g (un tikai 336 Ah/l (*)) ar jaudas samazināšanos pēc 700 cikliem mazāk nekā 50 %

2011. gada septembrī zinātnieki no Berkley Lab paziņoja par stabila elektronu vadoša gēla izveidi,
kas varētu revolucionizēt silīcija materiālu izmantošanu. Šī izgudrojuma nozīmi diez vai var pārvērtēt: jaunais gēls vienlaikus var kalpot kā turētājs un vadītājs, novēršot nanodaļiņu savienošanu un kontaktu zudumu. Ļauj izmantot lētus rūpnieciskos pulverus kā aktīvo materiālu un, pēc veidotāju domām, pēc cenas ir salīdzināms ar tradicionālajiem turētājiem. No rūpnieciskiem materiāliem (Si nanopulvera) izgatavots elektrods nodrošina stabilu 1360 mAh/g un ļoti augstu 2100 Ah/l (*)

*- autora aprēķinātais reālās jaudas novērtējums (skat. pielikumu)
JAUNKUNDZE. Fosters, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Ķīm., 1966
Džumas, Žans Klods, Lipens, Pjērs Emanuels, Olivjē Furkads, Žozete, Roberts, Florāns Vilmans, Patriks 2008. gada ASV patenta pieteikums 20080003502.
Sony Nexelion litija jonu elektrodu materiālu ķīmija un struktūra J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read un D. Foster Armijas pētniecības laboratorija 2006.
Lielas ietilpības litija jonu akumulatoru anodi, izmantojot Ge nanovadus
Lodīšu frēzēšana Grafīta/alvas kompozītmateriālu anoda materiāli šķidrā vidē. Ke Vangs 2007.
Ar elektrību pārklāti alvas savienojumi uz oglekļa maisījuma kā anods litija jonu akumulatoram. Enerģijas avotu žurnāls 2009.
Carbone-Shell ietekme uz Sn-C kompozītmateriālu anodu litija jonu akumulatoriem. Kiano Ren et al. Jonika 2010.
Jauni Core-Shell Sn-Cu anodi Li Rech. Akumulatori, kas sagatavoti redoks-transmetalācijas ceļā, reaģē. uzlaboti materiāli. 2010. gads
kodols dubultā apvalks [aizsargāts ar e-pastu]@C nanokompozīti kā anoda materiāli litija jonu akumulatoriem Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Polimēri ar pielāgotu elektronisku struktūru lieljaudas litija akumulatoru elektrodiem Gao Liu et al. Adv. mater. 2011, 23, 4679–4683
Savstarpēji savienotas dobas silīcija nanosfēras litija jonu akumulatoru anodiem ar ilgu darbības laiku. Yan Yao et al. Nano vēstules 2011.
Poraini Si anoda materiāli litija akumulatoriem, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014
Elektrodi litija jonu akumulatoriem — jauns veids, kā aplūkot vecās problēmas žurnālu The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
AKUMULATORU LĪDZEKĻI, ASV patents 8062556 2006

Pieteikums

Elektrodu konstrukciju īpašie gadījumi:

Ar varu pārklātu alvas nanodaļiņu reālās kapacitātes novērtējums [aizsargāts ar e-pastu]

No raksta daļiņu tilpuma attiecība ir 1 līdz 3m




0,52 ir pulvera iepakošanas koeficients. Attiecīgi pārējais skaļums aiz turētāja ir 0,48

Nanosfēras. Iepakojuma attiecība.
nanosfērām dotā zemā tilpuma kapacitāte ir saistīta ar to, ka sfēras iekšpusē ir dobas, un tāpēc aktīvā materiāla iepakojuma attiecība ir ļoti zema

veidā pat tas būs 0,1 , salīdzinājumam vienkāršam pulverim - 0,5...07

Mainiet reakcijas anodus. metālu oksīdi.

Daudzsološā grupa neapšaubāmi ietver arī metālu oksīdus, piemēram, Fe 2 O 3 . Šiem materiāliem ir augsta teorētiskā kapacitāte, un tiem ir nepieciešami arī risinājumi, lai palielinātu elektroda aktīvās vielas diskrētumu. Šajā kontekstā tik svarīgai nanostruktūrai kā nanošķiedrai šeit tiks pievērsta pienācīga uzmanība.
Oksīdi parāda trešo veidu, kā iekļaut un izslēgt litiju elektrodu struktūrā. Ja grafītā litijs atrodas galvenokārt starp grafēna slāņiem, šķīdumos ar silīciju tas tiek ievadīts tā kristāla režģī, tad šeit drīzāk notiek “skābekļa apmaiņa” starp elektroda “galveno” metālu un viesu - litiju. Elektrodā veidojas litija oksīda masīvs, un parastais metāls tiek piesūcināts nanodaļiņās matricas iekšpusē (sk., piemēram, reakciju ar molibdēna oksīdu attēlā MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Šis mijiedarbības raksturs nozīmē nepieciešamību pēc vieglas metāla jonu kustības elektrodu struktūrā, t.i. augsta difūzija, kas nozīmē pāreju uz smalkām daļiņām un nanostruktūrām

Runājot par atšķirīgo anoda morfoloģiju, elektroniskās komunikācijas nodrošināšanas metodēm, papildus tradicionālajam (aktīvais pulveris, grafīta pulveris + turētājs) var izdalīt arī citas grafīta kā vadoša līdzekļa formas:
Izplatīta pieeja ir grafēna un galvenās vielas kombinācija, kad nanodaļiņas var atrasties tieši uz grafēna “loksnes”, un tas savukārt kalpos kā vadītājs un buferis darba vielas izplešanās laikā. Šī struktūra tika piedāvāta Co 3 O 4 778 mAh/g un ir diezgan izturīga. Līdzīgi kā 1100 mAh/g Fe 2 O 3
bet, ņemot vērā ļoti zemo grafēna blīvumu, ir grūti pat novērtēt, cik šādi risinājumi ir piemēroti.
Vēl viens veids ir izmantot grafīta nanocaurules A.C. Dilons et al. eksperimentējot ar MoO 3, tiek parādīta liela jauda 800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l*) ar 5 masas% turētāja kapacitātes zudumu pēc 50 cikliem, kas pārklāti ar alumīnija oksīdu un arī ar Fe 3 O 4, neizmantojot stabils turētājs 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Att. pa labi: anoda nanošķiedru / Fe 2 O 3 SEM attēls ar plānām grafīta caurulēm 5 masas % (balts)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 2 O+xM

Daži vārdi par nanošķiedrām

Nesen nanošķiedras ir bijis viens no aktuālākajiem tematiem publikācijās materiālzinātnes publikācijās, jo īpaši tajās, kas veltītas daudzsološām baterijām, jo ​​tās nodrošina lielu aktīvo virsmu ar labu savienojumu starp daļiņām.
Sākotnēji nanošķiedras tika izmantotas kā sava veida aktīvā materiāla nanodaļiņas, kas viendabīgā maisījumā ar turētāju un vadošiem līdzekļiem veido elektrodu.
Jautājums par nanošķiedru iepakojuma blīvumu ir ļoti sarežģīts, jo tas ir atkarīgs no daudziem faktoriem. Un, acīmredzot, apzināti praktiski nav izgaismots (konkrēti attiecībā uz elektrodiem). Tas jau apgrūtina visa anoda reālo rādītāju analīzi. Lai veidotu tāmi, autors uzdrošinājās izmantot R. E. Muka darbu, kas veltīts siena blīvuma analīzei bunkuros. Spriežot pēc nanošķiedru SEM attēliem, optimistiska iepakojuma blīvuma analīze būtu 30-40%.
Pēdējos 5 gados lielāka uzmanība ir pievērsta nanošķiedru sintēzei tieši uz pašreizējā kolektora, kam ir vairākas nopietnas priekšrocības:
Tiek nodrošināts darba materiāla tiešs kontakts ar strāvas kolektoru, uzlabots kontakts ar elektrisko strāvu, kā arī novērsta nepieciešamība pēc grafīta piedevām. tiek apieti vairāki ražošanas posmi, ievērojami palielinās darba vielas iepakojuma blīvums.
K. Chan et al., testējot Ge nanošķiedras ieguva 1000mAh/g (800Ah/l ) zemai jaudai un 800→550 (650→450 Ah/l*) 2C temperatūrā pēc 50 cikliem. Tajā pašā laikā Yanguang Li un autori uzrādīja lielu Co 3 O 4 jaudu un milzīgu jaudu: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) pēc 20 cikliem un 600 mAh / g (480 Ah / l *) ) ar strāvas pieaugumu 20 reizes

Atzīmējami un ikvienam iepazīšanai ieteicami A. Belčera** iedvesmojošie darbi, kas ir pirmie soļi jaunā biotehnoloģijas laikmetā.
Modificējot bakteriofāga vīrusu, A. Belheram izdevās uz tā bāzes izveidot nanošķiedras istabas temperatūrā, pateicoties dabiskam bioloģiskam procesam. Ņemot vērā šādu šķiedru augsto strukturālo skaidrību, iegūtie elektrodi ir ne tikai nekaitīgi vidi, bet arī parāda gan šķiedras iepakojuma sablīvēšanos, gan ievērojami izturīgāku darbību.

*- autora aprēķinātais reālās jaudas novērtējums (skat. pielikumu)
**
Andžela Belčere ir izcila zinātniece (ķīmiķe, elektroķīmiķe, mikrobioloģe). Nanošķiedru sintēzes izgudrotājs un to sakārtošana elektrodos, izmantojot īpaši audzētas vīrusu kultūras
(skaties interviju)

Pieteikums

Kā tika teikts, anoda lādiņš notiek reakcijas laikā

Literatūrā neatradu norādes par faktiskajiem elektroda izplešanās ātrumiem uzlādes laikā, tāpēc ierosinu tos novērtēt pēc iespējami mazākām izmaiņām. Tas ir, atbilstoši reaģentu un reakcijas produktu molāro tilpumu attiecībai (V Lihitated - uzlādētā anoda tilpums, V UnLihitated - izlādētā anoda tilpums) var viegli atrast metālu un to oksīdu blīvumus. atklātajos avotos.

Aprēķinu formulas	MoO 3 aprēķinu piemērs

Jāpatur prātā, ka iegūtā tilpuma jauda ir nepārtrauktas aktīvās vielas ietilpība, tāpēc atkarībā no struktūras veida aktīvā viela aizņem atšķirīgu daļu no visa materiāla tilpuma, tas tiks ņemts vērā. ieviešot blīvējuma koeficientu k p . Piemēram, pulverim tas ir 50-70%

Ļoti reversīvs Co3O4/grafēna hibrīda anods litija akumulatoriem. H.Kim et al. CARBON 49(2011) 326-332
Nanostrukturēts reducēta grafēna oksīda/Fe2O3 kompozīts kā augstas veiktspējas anoda materiāls litija jonu akumulatoriem. ACSNANO VOL. 4 ▪ NĒ. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010. g
Nanostrukturēti metāla oksīda anodi. A. C. Dilons. 2010. gads
Jauns veids, kā aplūkot bunkura skābbarības blīvumu. R. E. Muks. ASV Piena lopbarības pētniecības centrs Madison, Madison WI
Lielas ietilpības litija jonu akumulatoru anodi, izmantojot Ge nanovadus K. Chan et. al. NANO VĒSTULES 2008 Vol. 8, Nr. 1 307-309
Mezoporaini Co3O4 nanovadu bloki litija jonu akumulatoriem ar lielu ietilpību un ātruma spēju. Janguangs Li u.c. al. NANO VĒSTULES 2008 Vol. 8, Nr. 1 265-270
Litija jonu akumulatoru elektrodu nanovadu sintēze un montāža ar vīrusu palīdzību Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org / 2006. gada 6. aprīlis / 1. lapa / 10.1126/science.112271
Vīrusu iespējots silīcija anods litija jonu akumulatoriem. Xilin Chen et al. ACS Nano, 2010, 4(9), 5366.–5372. lpp.
VĪRUSU SASTATNES PAŠSALĪDZĒTAM, Elastīgam UN VIEGLAM LITIJA AKUMULATORA MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Litija jonu HIT. katodi

Litija jonu akumulatoru katodiem galvenokārt jāspēj uzņemt litija jonus un nodrošināt augstu spriegumu un līdz ar to arī lielu enerģiju.

Interesanta situācija ir izveidojusies Li-Ion akumulatoru katodu izstrādes un ražošanas jomā. 1979. gadā Džons Gudeno un Mizučima Koiči patentēja LiMO2 slāņveida katodus litija jonu akumulatoriem, kas aptver gandrīz visus esošos litija jonu akumulatoru katodus.
Katoda galvenie elementi
skābeklis, kā saite, tilts, kā arī litija “ķeršana” ar saviem elektronu mākoņiem.
Pārejas metāls (t.i., metāls ar valences d-orbitālēm), jo tas var veidot struktūras ar atšķirīgu saišu skaitu. Pirmajos katodos tika izmantots TiS 2 sērs, bet pēc tam tie pārgāja uz skābekli, kompaktāku un, galvenais, vairāk elektronegatīvu elementu, radot gandrīz pilnībā jonu saiti ar metāliem. LiMO 2 (*) slāņainā struktūra ir visizplatītākā, un visi notikumi plūst ap trim kandidātiem M = Co, Ni, Mn un pastāvīgi meklē ļoti lētu Fe.

Kobalts, pretēji daudzām lietām, uzreiz uztvēra Olympus un joprojām to notur (90% katodu), taču slāņveida struktūras augstās stabilitātes un pareizības dēļ no 140 mAh / g LiCoO 2 jauda palielinājās līdz 160-170 mAh / g , pateicoties sprieguma diapazona paplašināšanai. Bet tā retuma dēļ uz Zemes Co ir pārāk dārgs, un tā izmantošanu tīrā veidā var attaisnot tikai mazās baterijās, piemēram, telefoniem. 90% tirgus aizņem pats pirmais un šobrīd vēl kompaktākais katods.
Niķelis bija un paliek daudzsološs materiāls ar augstu 190mA/g, taču tas ir daudz mazāk stabils un tāda slāņaina struktūra tīrā veidā Ni nepastāv. Li ekstrakcija no LiNiO 2 rada gandrīz 2 reizes vairāk siltuma nekā no LiCoO 2, kas padara tā izmantošanu šajā jomā nepieņemamu.
Mangāns. Vēl viena labi izpētīta struktūra ir 1992. gadā izgudrotā struktūra. Jean-Marie Tarasco, mangāna oksīda spineļa katods LiMn 2 O 4 : ar nedaudz zemāku kapacitāti šis materiāls ir daudz lētāks nekā LiCoO 2 un LiNiO 2 un daudz uzticamāks. Mūsdienās tas ir labs variants hibrīdautomobiļiem. Jaunākie notikumi ir saistīti ar niķeļa sakausēšanu ar kobaltu, kas būtiski uzlabo tā strukturālās īpašības. Būtisks stabilitātes uzlabojums tika novērots arī tad, kad Ni tika leģēts ar elektroķīmiski neaktīvu Mg: LiNi 1-y Mg y O 2 . Litija jonu katodiem ir daudz sakausējumu LiMn x O 2x.
fundamentāla problēma- kā palielināt kapacitāti. Mēs jau esam redzējuši ar alvu un silīciju, ka visredzamākais veids, kā palielināt kapacitāti, ir ceļot augšup pa periodisko tabulu, bet diemžēl nekas nav augstāks par pašlaik izmantotajiem pārejas metāliem (att. pa labi). Tāpēc viss pēdējo gadu progress saistībā ar katodiem kopumā ir saistīts ar esošo trūkumu novēršanu: izturības palielināšanu, kvalitātes uzlabošanu, to kombināciju izpēti (attēls augšā pa kreisi)
Dzelzs. Kopš litija jonu ēras sākuma ir veikti daudzi mēģinājumi izmantot dzelzi katodos, taču bez rezultātiem. Lai gan LiFeO 2 būtu ideāls lēts un jaudīgs katods, ir pierādīts, ka Li nevar iegūt no struktūras normālā sprieguma diapazonā. Situācija radikāli mainījās 1997. gadā, izpētot Olivine LiFePO 4 e/h īpašības. Liela jauda (170 mAh/g) aptuveni 3,4 V ar litija anodu un bez nopietna jaudas krituma pat pēc vairākiem simtiem ciklu. Galvenais olivīna trūkums ilgu laiku bija slikta vadītspēja, kas ievērojami ierobežoja jaudu. Situācijas labošanai tika veiktas klasiskas kustības (slīpēšana ar grafīta pārklājumu), izmantojot želeju ar grafītu, bija iespējams sasniegt lielu jaudu pie 120mAh / g 800 cikliem. Patiešām milzīgu progresu ir panācis niecīgais Nb dopings, palielinot vadītspēju par 8 kārtībām.
Viss liecina, ka Olivine kļūs par masīvāko materiālu elektriskajiem transportlīdzekļiem. Par tiesību uz LiFePO 4 ekskluzīvu valdījumu uzņēmums A123 Systems Inc. ir tiesājies jau vairākus gadus. un Black & Decker Corp, ne velti uzskatot, ka tā ir elektrisko transportlīdzekļu nākotne. Nebrīnieties, bet visi patenti ir iesniegti vienam un tam pašam katodu kapteinim - Džonam Gudenu.
Olivīns pierādīja iespēju izmantot lētus materiālus un izlauzās cauri sava veida platīnam. Inženierdoma nekavējoties steidzās iegūtajā telpā. Tā, piemēram, tagad aktīvi tiek apspriesta sulfātu aizstāšana ar fluorofosfātiem, kas palielinās spriegumu par 0,8 V, t.i. Palieliniet enerģiju un jaudu par 22%.
Tas ir smieklīgi: kamēr norisinās strīds par olivīna tiesībām, es saskāros ar daudziem noname ražotājiem, kas piedāvā elementus uz jaunā katoda,

* Visi šie savienojumi pastāvīgi pastāv tikai kopā ar litiju. Un attiecīgi tiek izgatavoti jau ar to piesātināti. Tāpēc, pērkot uz tiem balstītus akumulatorus, vispirms jāuzlādē akumulators, daļu litija destilējot uz anodu.
** Izprotot litija jonu akumulatoru katodu attīstību, jūs neviļus sākat to uztvert kā divu milžu dueli: Džonu Gudenu un Žanu Mariju Tarasko. Ja Goodenough patentēja savu pirmo fundamentāli veiksmīgo katodu 1980. gadā (LiCoO 2 ), Dr. Trasko atbildēja divpadsmit gadus vēlāk (Mn 2 O 4 ). Otrs amerikāņa fundamentālais sasniegums notika 1997. gadā (LiFePO 4 ), un pagājušās desmitgades vidū francūzis šo ideju paplašina, ieviešot LiFeSO 4 F, un strādā pie pilnīgi organisku elektrodu izmantošanas.
Goodenough, J. B.; Mizučima, K.U.S. Patents 4,302,518, 1980. gads.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K.U.S. Patents 4 357 215, 1981.
Litija jonu akumulatoru zinātne un tehnoloģijas. Masaki Jošio, Ralfs J. Brods, Akija Kozava
LiMn2 O4 interkalācijas savienojumu sagatavošanas metode un izmantošana sekundārajos litija akumulatoros. Barbox; Filips Šokoohi; Frough K., Tarascon; Žans Marī. Bell Communications Research Inc. 1992. gada ASV patents 5 135 732.

Uzlādējama elektroķīmiskā šūna ar stehiometriskā titāna disulfīda Whittingham katodu; M. Stenlijs. ASV patents 4 084 046 1976
Kanno, R.; Širans, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Litija baterijas un katoda materiāli. M. Stenlijs Vitingems Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
3,6 V fluorosulfāta ievietošanas pozitīvs elektrods litija jonu akumulatoriem. N. Rečams1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 un J-M. Taraskons. DABAS MATERIĀLS 2009. gada novembris.

Pieteikums

Katodu kapacitāte atkal tiek definēta kā maksimālais lādiņš, kas iegūts uz vielas, piemēram, grupas, svaru
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

Piemēram, uzņēmumam Co

ar Li ekstrakcijas pakāpi x=0,5, vielas kapacitāte būs

Ieslēgts Šis brīdis uzlabojumi ražošanas procesā ļāva palielināt ekstrakcijas pakāpi un sasniegt 160mAh/g
Taču lielākā daļa tirgū esošo pulveru nesasniedz šos skaitļus.

organiskā ēra.
Pārskata sākumā mēs minējām piesārņojuma samazināšanu kā vienu no galvenajiem virzītājspēkiem pārejā uz elektriskajiem transportlīdzekļiem. Bet ņemiet, piemēram, moderno hibrīdauto: tas noteikti sadedzina mazāk degvielas, bet, ražojot tam akumulatoru, 1 kWh sadedzina aptuveni 387 kWh ogļūdeņražu. Protams, šāds auto izdala mazāk kaitīgo vielu, taču no siltumnīcefekta gāzēm ražošanas laikā (70-100 kg CO 2 uz 1 kWh) joprojām nevar izbēgt. Turklāt mūsdienu patērētāju sabiedrībā preces netiek izmantotas, kamēr to resurss nav izsmelts. Tas ir, šī enerģijas aizdevuma “atdošanas” periods ir īss, un moderno akumulatoru utilizācija ir dārga un ne visur pieejama. Tādējādi energoefektivitāte modernas baterijas joprojām apšaubāms.
Nesen ir parādījušās vairākas iepriecinošas biotehnoloģijas, kas ļauj sintezēt elektrodus istabas temperatūrā. A. Belcher (vīrusi), J.M. Tarasco (baktēriju izmantošana).

Lielisks šāda daudzsološa biomateriāla piemērs ir litizēts oksokarbonāts - Li 2 C 6 O 6 (litija radisonāts), kas, spējot atgriezeniski uzņemt līdz četriem Li vienā formulā, uzrādīja lielu gravimetrisko kapacitāti, bet tā kā samazinājums ir saistīts ar pi saitēm tas ir nedaudz mazāks pēc -potenciāla (2,4 V). Līdzīgi citi aromātiskie gredzeni tiek uzskatīti par pozitīvā elektroda pamatu, kas arī ziņo par ievērojamu bateriju samazināšanos.
Galvenais "trūkums" jebkuram organiskie savienojumi ir to zemais blīvums, jo visa organiskā ķīmija attiecas uz viegliem elementiem C, H, O un N. Lai saprastu, cik šis virziens ir perspektīvs, pietiek pateikt, ka šīs vielas var iegūt no āboliem un kukurūzas, turklāt tās ir viegli pārstrādājamas un pārstrādājamas.
Litija radisonāts jau tagad būtu uzskatāms par perspektīvāko katodu automobiļu rūpniecībai, ja ne ierobežotā strāvas blīvuma (jaudas) dēļ un visperspektīvāko portatīvajai elektronikai, ja ne materiāla zemā blīvuma (maza tilpuma kapacitātes) dēļ (att. pa kreisi). Tikmēr šī joprojām ir tikai viena no daudzsološākajām darba frontēm.Akumulatori

mobilās ierīces

Pievienojiet atzīmes

"Kvantu" akumulators

No 26. līdz 28. februārim Tokijā notiek Drive Show, kurā cita starpā piedalās Micronics Japan Co. ltd. Par viņas iepriekšējiem jauninājumiem ir maz zināms, taču pavisam nesen viņa paziņoja, ka ir izstrādājusi un sagatavojusi ražošanai jauna veida slāņveida akumulatoru. Uzņēmuma parādītā viena šūna ir n-veida metāla oksīda-pusvadītāju struktūras plēve, kurā tiek izmantotas titāna dioksīda, alvas dioksīda un cinka oksīda daļiņas, kas pārklātas ar izolācijas plēvi. Prototipam tiek izmantota lapa no nerūsējošā tērauda 10 mikronu biezs, bet drīzumā tas tiks aizstāts ar alumīniju.

Kvantu izstrādātāji nosauca savu akumulatoru, lai uzsvērtu tā fizisko, nevis ķīmisko raksturu. Lai gan enerģijas uzkrāšanai izmanto elektronus, nevis jonus, šī baterija principā atšķiras no kondensatoriem. Tiek uzskatīts, ka sistēma balstās uz elektronu uzglabāšanu pusvadītāja "joslas spraugā".

Metāla-oksīda-pusvadītāju konstrukciju ražošanā akumulatora uzlādes slānis tiek apstarots ar ultravioleto gaismu. Pēc izgatavošanas, uzlādējot, elektroni uzņem brīvos enerģijas līmeņus darba materiālā un tiek glabāti tur, līdz akumulators ir jāizlādē. Rezultāts ir uzlādējamas baterijas ar ļoti augstu enerģijas uzkrāšanas blīvumu.
Nav zināms, kāda veiktspēja ir testa paraugiem, taču izstrādātājs apgalvo, ka ražošanas paraugi, kas parādīsies tuvākajā nākotnē, būs ar jaudu līdz 500 Wh / l un tajā pašā laikā spēs piegādāt līdz 8000 W. maksimālā jauda uz litru tilpuma.
Šīs krātuves ir apvienotas labākās īpašības akumulatori un superkondensatori. Pat ar nelielu ietilpību tie spēs nodrošināt lielu maksimālo jaudu. No šādiem diskdziņiem noņemtais spriegums nesamazinās, kad tie tiek izlādēti, bet paliek stabili līdz beigām.
Deklarētā darba temperatūras diapazons no -25 līdz +85 °C. Akumulators var tikt pakļauts 100 000 uzlādes/izlādes cikliem, pirms tas samazinās zem 90% no sākotnējās jaudas. Spēja ātri uzņemt un dot enerģiju ievērojami samazinās uzlādes laiku. Turklāt šīs baterijas ir ugunsdrošas. Tās ražošanā netiek izmantoti reti vai dārgi materiāli. Kopumā ir tik daudz plusu, ka ir grūti noticēt.

Pašlādējošs akumulators

Džordžijas Tehnoloģiju institūta (ASV) pētnieku grupa Zhonglin Wang (Zhong Lin Wang) vadībā ir izveidojusi pašizlādējošu akumulatoru, kura uzlādēšanai nav nepieciešams savienojums ar strāvas kontaktligzdu.
Ierīce tiek uzlādēta no mehāniskā ietekme, precīzāk - no presēšanas. To plānots izmantot viedtālruņos un citās skārienjūtīgās ierīcēs.
Izstrādātāji novietoja savu ierīci zem kalkulatora taustiņiem un varēja nodrošināt tās darbību dienas laikā, pateicoties pogu nospiešanas enerģijai.

Akumulators ir vairāku simtu mikrometru biezas polivinilidēna fluorīda un cirkonāta-titanāta-svina plēves "iepriekšējais". Nospiežot, litija joni migrē no katoda uz anodu pjezoelektriskā efekta dēļ. Lai palielinātu prototipa efektivitāti, pētnieki tā pjezoelektriskajam materiālam pievienoja nanodaļiņas, kas uzlabo atbilstošo efektu, un panāca ievērojamu ierīces uzlādes jaudas un ātruma pieaugumu.
Jums jāsaprot, ka akumulators ir necaurspīdīgs, tāpēc tas var ietilpt tikai zem pogām vai zem ekrāna.
Akumulatoram nav tik izcilu raksturlielumu kā iepriekš aprakstītajai ierīcei (tagad standarta planšetdatora izmēra akumulatora jauda ir augusi no sākotnējiem 0,004 līdz 0,010 mAh), taču izstrādātāji sola strādāt pie tā efektivitātes. Ražošanas dizains joprojām ir tālu, lai gan elastīgie ekrāni - galvenās ierīces, kurās izstrādātāji plāno ievietot akumulatoru - vēl netiek plaši izmantoti. Vēl ir laiks pabeigt izgudrojumu un ieviest to ražošanā.

Akumulators uz cukura bāzes

Šķiet, ka ar bateriju izstrādi nodarbojas tikai aziāti. Vēl viena neparasta akumulatora prototips tika izveidots Amerikas Virdžīnijas Politehniskajā universitātē.

Šis akumulators būtībā darbojas ar cukuru, precīzāk ar maltodekstrīnu, polisaharīdu, kas iegūts cietes hidrolīzes rezultātā. Katalizators šādā akumulatorā ir ferments. Tas ir daudz lētāks nekā platīns, ko tagad izmanto parastajās baterijās. Šāda baterija pieder pie fermentu kurināmā elementu tipa. Elektrība šeit tiek ražota skābekļa, gaisa un ūdens reakcijā. Atšķirībā no ūdeņraža kurināmā elementiem fermenti nav uzliesmojoši un nesprāgstoši. Un pēc tam, kad akumulators ir iztērējis savus resursus, pēc izstrādātāju domām, to var uzpildīt ar cukuru.
PAR tehniskās specifikācijas šāda veida par baterijām ir maz zināms. Tiek tikai apgalvots, ka enerģijas blīvums tajos ir vairākas reizes lielāks nekā parastajos litija jonu akumulatoros. Šādu akumulatoru izmaksas ir ievērojami zemākas nekā parastajām, tāpēc izstrādātāji ir pārliecības pilni, lai tuvāko 3 gadu laikā tiem atrastu komerciālu pielietojumu. Gaidīsim solījumu.

Akumulators ar granātas struktūru

Bet zinātnieki no Stenfordas universitātes Amerikas Nacionālās paātrinātāju laboratorijas SLAC nolēma palielināt parasto akumulatoru tilpumu, izmantojot granātas struktūru.

Izstrādātāji pēc iespējas samazināja anodu izmērus un katru no tiem ievietoja oglekļa apvalkā. Tas novērš to iznīcināšanu. Uzlādes procesā daļiņas izplešas un apvienojas kopās, kuras arī tiek ievietotas oglekļa apvalkā. Šādu manipulāciju rezultātā šo akumulatoru jauda ir 10 reizes lielāka nekā parasto litija jonu akumulatoru kapacitāte.
No eksperimentiem izriet, ka pēc 1000 uzlādes/izlādes cikliem akumulators saglabā 97% no sākotnējās jaudas.
Taču ir pāragri runāt par šīs tehnoloģijas komerciālu pielietojumu. Silīcija nanodaļiņu ražošana ir pārāk dārga, un šādu bateriju radīšanas process ir pārāk sarežģīts.

Atomu baterijas

Un visbeidzot es runāšu par attīstību Britu zinātnieki. Viņi nolēma pārspēt savus kolēģus, izveidojot miniatūru kodolreaktoru. Uz tritija bāzes izgatavotais atomu akumulatora prototips, ko radījuši Surrejas universitātes pētnieki, ražo pietiekami daudz enerģijas, lai 20 gadus darbinātu mobilo tālruni. Tiesa, vēlāk to nebūs iespējams uzlādēt.

Akumulatorā, kas ir integrēta shēma, notiek kodolreakcija, kuras rezultātā rodas 0,8 - 2,4 vati enerģijas. Darba temperatūra akumulators ir no -50 līdz +150. Tomēr viņa nebaidās asi pilieni temperatūra un spiediens.
Izstrādātāji apgalvo, ka akumulatorā esošais tritijs nav bīstams cilvēkam, jo. tā satura tur ir ļoti maz. Tomēr par masu produkcija ir pāragri runāt par šādiem enerģijas avotiem - zinātniekiem vēl ir daudz pētījumu un testu.

Secinājums

Protams, ne visas no iepriekšminētajām tehnoloģijām atradīs savu pielietojumu, tomēr jāsaprot, ka tuvāko gadu laikā akumulatoru ražošanas tehnoloģijā vajadzētu notikt izrāvienam, kas izraisīs elektrisko transportlīdzekļu izplatības un ražošanas pieaugumu. viedtālruņiem un citiem elektroniskās ierīces jauns tips.

Iedomājies Mobilais telefons, kas notur uzlādi vairāk nekā nedēļu un pēc tam tiek uzlādēts 15 minūtēs. Fantastiski? Bet tas var kļūt par realitāti, pateicoties jaunam Ziemeļrietumu universitātes zinātnieku pētījumam (Evanstona, Ilinoisa, ASV). Inženieru komanda izstrādāja elektrodu litija jonu uzlādējamām baterijām (kas mūsdienās tiek izmantotas lielākajā daļā mobilo tālruņu), kas palielināja to enerģijas ietilpību 10 reizes. Šis patīkami pārsteigumi nav ierobežots - jauns akumulatoru ierīces var uzlādēt 10 reizes ātrāk nekā pašreizējie.

Lai pārvarētu noteiktos ierobežojumus esošās tehnoloģijas attiecībā uz akumulatora enerģijas ietilpību un uzlādes ātrumu zinātnieki izmantoja divas dažādas ķīmiskās inženierijas pieejas. Iegūtais akumulators ne tikai pagarinās mazo elektronisko ierīču, piemēram, tālruņu un klēpjdatoru, kalpošanas laiku, bet arī pavērs ceļu efektīvāku un kompaktāku elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru izstrādei.

"Mēs esam atraduši veidu, kā 10 reizes pagarināt jaunā litija jonu akumulatora uzlādes saglabāšanas laiku," sacīja profesors Harolds H. Kungs, viens no pētījuma vadošajiem autoriem. "Pat pēc 150 uzlādes/izlādes sesijām, kas nozīmē vismaz gadu ilgu darbību, tas joprojām ir piecas reizes efektīvāks nekā šodien tirgū pieejamie litija jonu akumulatori."

Litija jonu akumulatora darbības pamatā ir ķīmiska reakcija, kurā litija joni pārvietojas starp anodu un katodu, kas atrodas pretējos akumulatora galos. Akumulatora darbības laikā litija joni migrē no anoda caur elektrolītu uz katodu. Uzlādējot, to virziens tiek aizstāts ar tieši pretējo. Pašreizējām baterijām ir divi svarīgi ierobežojumi. To enerģijas ietilpību - tas ir, akumulatora uzlādes saglabāšanas laiku - ierobežo lādiņa blīvums vai tas, cik litija jonu var ievietot uz anoda vai katoda. Tajā pašā laikā šāda akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo ātrums, ar kādu litija joni spēj pārvietoties pa elektrolītu uz anodu.

Mūsdienu uzlādējamās baterijās anodā, kas izgatavots no daudzām grafēna loksnēm, var būt tikai viens litija atoms uz katriem sešiem oglekļa atomiem (kas veido grafēnu). Mēģinot palielināt akumulatoru enerģijas ietilpību, zinātnieki jau ir eksperimentējuši ar oglekļa aizstāšanu ar silīciju, kurā var būt daudz vairāk litija: četri litija atomi uz katru silīcija atomu. Taču silīcijs uzlādes procesā strauji izplešas un saraujas, kas izraisa anoda vielas sadrumstalotību un rezultātā strauju akumulatora uzlādes jaudas zudumu.

Šobrīd zems ātrums akumulatora uzlāde ir izskaidrojama ar grafēna lokšņu formu: salīdzinot ar biezumu (kas ir tikai viens atoms), to garums ir pārmērīgs. Uzlādes laikā litija jonam jāpārvar attālums līdz grafēna lokšņu ārējām malām, pēc tam jāiet starp tām un jāapstājas kaut kur iekšpusē. Tā kā litijam ir nepieciešams ilgs laiks, lai sasniegtu grafēna loksnes vidu, tā malās tiek novērots kaut kas līdzīgs jonu sastrēgumam.

Kā jau minēts, Kunga pētniecības grupa atrisināja abas šīs problēmas, pieņemot divas dažādas tehnoloģijas. Pirmkārt, lai nodrošinātu silīcija stabilitāti un attiecīgi saglabātu akumulatora maksimālo uzlādes jaudu, viņi ievietoja silīcija kopas starp grafēna loksnēm. Tas ļāva palielināt litija jonu skaitu elektrodā, vienlaikus izmantojot grafēna lokšņu elastību, lai ņemtu vērā silīcija tilpuma izmaiņas akumulatora uzlādes/izlādes laikā.

"Tagad mēs nogalinām abus putnus ar vienu akmeni," saka Kungs. “Pateicoties silīcijam, mēs iegūstam lielāku enerģijas blīvumu, un slāņu savstarpējā sajaukšanās samazina jaudas zudumus, ko izraisa silīcija izplešanās ar kontrakciju. Pat ar silīcija kopu iznīcināšanu pats silīcijs nekur nenonāk.

Turklāt pētnieki izmantoja ķīmiskās oksidācijas procesu, lai grafēna loksnēs izveidotu miniatūras (10–20 nanometri) caurumus (“plaknes defekti”), kas nodrošina litija joniem “ātru piekļuvi” anoda iekšpusei un pēc tam uzglabāšanu tas ir reakcijas ar silīciju rezultātā. Tas 10 reizes samazināja akumulatora uzlādei nepieciešamo laiku.

Līdz šim visi centieni optimizēt akumulatoru darbību ir vērsti uz vienu no to sastāvdaļām - anodu. Nākamajā pētījumu posmā zinātnieki plāno pētīt katoda izmaiņas šim pašam mērķim. Turklāt viņi vēlas uzlabot elektrolītu sistēmu, lai akumulators varētu automātiski (un atgriezeniski) izslēgties augstā temperatūrā, kas ir aizsargmehānisms, kas varētu būt noderīgs, ja akumulatorus izmanto elektriskajos transportlīdzekļos.

Pēc izstrādātāju domām, pašreizējā forma jauna tehnoloģija vajadzētu ienākt tirgū nākamo trīs līdz piecu gadu laikā. Žurnālā Advanced Energy Materials tika publicēts raksts par jaunu bateriju izpētes un izstrādes rezultātiem.

Izlasot jautājumu trudnopisaka :

“Būtu interesanti uzzināt par jaunām akumulatoru tehnoloģijām, kas tiek gatavotas masveida ražošanai."

Nu, protams, masveida ražošanas kritērijs ir nedaudz paplašināms, bet mēģināsim noskaidrot, kas tagad ir daudzsološs.

Lūk, ko ķīmiķi izdomāja:

Šūnas spriegums voltos (vertikāli) un īpatnējā katoda jauda (mAh/g) jauns akumulators tūlīt pēc izgatavošanas (I), pirmās izlādes (II) un pirmās uzlādes (III) (Hee Soo Kim et al./Nature Communications ilustrācija).

Runājot par enerģijas potenciālu, baterijas, kuru pamatā ir magnija un sēra kombinācija, spēj apiet litija baterijas. Taču līdz šim nevienam nav izdevies panākt, lai šīs divas vielas kopā darbotos akumulatora šūnā. Tagad ar dažām atrunām speciālistu grupai ASV tas ir izdevies.

Zinātnieki no Toyota pētniecības institūts V Ziemeļamerika(TRI-NA) mēģināja atrisināt galvenā problēma, stāvot ceļā magnija-sēra akumulatoru (Mg/S) radīšanai.

Pielāgots no Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālās laboratorijas.

Vācieši izgudroja fluora jonu akumulatoru

Papildus visai elektroķīmisko strāvas avotu armijai zinātnieki ir izstrādājuši vēl vienu iespēju. Tā apgalvotās priekšrocības ir mazāka ugunsbīstamība un desmit reizes lielāka īpatnējā ietilpība nekā litija jonu akumulatoriem.

Karlsrūes Tehnoloģiju institūta (KIT) ķīmiķi ir izstrādājuši bateriju koncepciju, kuras pamatā ir metālu fluorīdi, un pat ir pārbaudījuši dažus nelielus laboratorijas paraugus.

Šādās baterijās fluora anjoni ir atbildīgi par lādiņu pārnešanu starp elektrodiem. Akumulatora anodā un katodā ir metāli, kas atkarībā no strāvas virziena (uzlādes vai izlādes) pēc kārtas pārvēršas par fluorīdiem vai tiek reducēti atpakaļ metālos.

"Tā kā viens metāla atoms var pieņemt vai nodot vairākus elektronus vienlaikus, šī koncepcija nodrošina ārkārtīgi augstu enerģijas blīvumu — līdz pat desmit reizēm lielāku nekā parastajām litija jonu baterijām," saka līdzautors Dr. Maksimilians Fihtners.

Lai pārbaudītu ideju, vācu pētnieki izveidoja vairākus šādu bateriju paraugus ar diametru 7 milimetri un biezumu 1 mm. Autori pētīja vairākus elektrodu materiālus (piemēram, varu un bismutu kombinācijā ar oglekli) un izveidoja elektrolītu uz lantāna un bārija bāzes.

Tomēr šāds ciets elektrolīts ir tikai starpposms. Šis sastāvs, kas vada fluora jonus, labi darbojas tikai tad, kad paaugstināta temperatūra. Tāpēc ķīmiķi meklē tam aizvietotāju - šķidru elektrolītu, kas darbotos istabas temperatūrā.

(Sīkāka informācija atrodama institūta paziņojumā presei un rakstā Journal of Materials Chemistry.)

Nākotnes baterijas

Kas akumulatoru tirgu sagaida nākotnē, joprojām ir grūti prognozēt. Litija baterijas joprojām dominē, un tām ir labs potenciāls, pateicoties litija polimēru izstrādei. Sudraba-cinka elementu ieviešana ir ļoti ilgs un dārgs process, un tā lietderība joprojām ir strīdīgs jautājums. Degvielas šūnu un nanocauruļu tehnoloģijas jau daudzus gadus ir slavētas un aprakstītas visskaistākajos vārdos, taču, runājot par praksi, faktiskie produkti ir vai nu pārāk apjomīgi, vai pārāk dārgi, vai abi. Skaidrs ir tikai viens – tuvākajos gados šī nozare turpinās aktīvi attīstīties, jo portatīvo ierīču popularitāte pieaug ar lēcieniem un robežām.

Paralēli klēpjdatoriem koncentrējās uz bezsaistes darbs, attīstās galddatoru portatīvo datoru virziens, kurā akumulators drīzāk pilda rezerves UPS lomu. Nesen Samsung izlaida līdzīgu klēpjdatoru bez akumulatora.

IN NiCd-akumulatoriem ir arī elektrolīzes iespēja. Lai tajos neuzkrātos sprādzienbīstams ūdeņradis, baterijas ir aprīkotas ar mikroskopiskiem vārstiem.

slavenajā institūtā MIT ir nesen izstrādāts unikāla tehnoloģija ražošanu litija baterijas ar īpaši apmācītu vīrusu pūlēm.

Lai gan degvielas šūnaĀrēji tas pilnībā atšķiras no tradicionālā akumulatora, tas darbojas saskaņā ar tiem pašiem principiem.

Un kurš vēl jums pateiks daudzsološus norādījumus?

Pirms vairāk nekā 200 gadiem vācu fiziķis Vilhelms Riters radīja pasaulē pirmo akumulatoru. Salīdzinot ar toreiz esošo A. Volta akumulatoru, Vilhelma atmiņas ierīci varēja atkārtoti uzlādēt un izlādēt. Divu gadsimtu laikā elektrības akumulators ir ļoti mainījies, taču atšķirībā no "riteņa" tas tiek izgudrots līdz mūsdienām. Mūsdienās jaunas tehnoloģijas bateriju ražošanā nosaka akumulatoru parādīšanās jaunākās ierīces nepieciešama neatkarīga strāvas padeve. Jauni un jaudīgāki gadžeti, elektromobiļi, lidojoši droni – visām šīm ierīcēm ir nepieciešami mazāki, vieglāki, bet ietilpīgāki un izturīgāki akumulatori.

Akumulatora pamatstruktūru var aprakstīt īsumā - tie ir elektrodi un elektrolīts. Tieši no elektrodu materiāla un elektrolīta sastāva ir atkarīgi akumulatora raksturlielumi un tiek noteikts tā veids. Pašlaik ir vairāk nekā 33 uzlādējamo barošanas avotu veidi, bet visbiežāk lietotie ir:

• svina skābe;
• niķelis-kadmijs;
• niķeļa-metāla hidrīds;
• litija jonu;
• litija polimērs;
• niķelis-cinks.

Jebkuras no tām darbs ir atgriezeniska ķīmiska reakcija, tas ir, reakcija, kas rodas, izlādējoties, tiek atjaunota lādēšanas laikā.

Akumulatoru pielietojuma joma ir diezgan plaša, un atkarībā no ierīces veida, kas no tā darbojas, akumulatoram tiek izvirzītas noteiktas prasības. Piemēram, sīkrīkiem tam jābūt vieglam, minimāla izmēra un pietiekami daudz liela ietilpība. Elektroinstrumentam vai lidojošam dronam atsitiena strāva ir svarīga, jo patēriņš elektriskā strāva pietiekami augsts. Tajā pašā laikā ir prasības, kas attiecas uz visiem akumulatoriem - tā ir liela ietilpība un uzlādes ciklu resurss.

Zinātnieki visā pasaulē strādā pie šī jautājuma, tiek veikts daudz pētījumu un testu. Diemžēl daudzi dizainparaugi, kas uzrādīja izcilus elektriskos un ekspluatācijas rezultātus, izrādījās pārāk dārgi un netika laisti tirgū masu produkcija. AR tehniskā puse, labākie materiāli sudrabu un zeltu izmanto akumulatoru radīšanai, un no ekonomiskā viedokļa šāda produkta cena patērētājam būs nepieejama. Tajā pašā laikā jaunu risinājumu meklēšana neapstājas, un pirmais nozīmīgais izrāviens bija litija jonu akumulators.

Pirmo reizi tas tika ieviests 1991 Japānas uzņēmums Sony. Akumulatoram bija raksturīgs augsts blīvums un zema pašizlāde. Tomēr viņai bija trūkumi.

Pirmā šādu barošanas avotu paaudze bija sprādzienbīstama. Laika gaitā uz anoda sakrājās dendriti, kas izraisīja īssavienojumu un aizdegšanos. Uzlabošanas procesā nākamajā paaudzē tika izmantots grafīta anods, un šis trūkums tika novērsts.

Otrs trūkums bija atmiņas efekts. Ar pastāvīgu nepilnīgu uzlādi akumulators zaudēja jaudu. Darbs pie šī trūkuma novēršanas ir papildināts jauna tendence vēlme pēc miniaturizācijas. Vēlme radīt īpaši plānus viedtālruņus, ultrabook un citas ierīces prasīja zinātni, lai izstrādātu jaunu enerģijas avotu. Turklāt jau novecojušais litija jonu akumulators neapmierināja modelētāju vajadzības, kuriem bija nepieciešams jauns elektroenerģijas avots ar daudz lielāku blīvumu un lielu izejas strāvu.

Rezultātā litija jonu modelī tika izmantots polimēra elektrolīts, un efekts pārsniedza visas cerības.

Uzlabotajam modelim ne tikai nebija atmiņas efekta, bet arī visos aspektos vairākas reizes pārāks par savu priekšgājēju. Pirmo reizi bija iespējams izveidot tikai 1 mm biezu akumulatoru. Tajā pašā laikā tā formāts varētu būt visdažādākais. Šādas baterijas nekavējoties sāka būt ļoti pieprasītas gan modelētāju, gan mobilo tālruņu ražotāju vidū.

Bet joprojām bija trūkumi. Elements izrādījās ugunsbīstams, uzlādes laikā uzkarsa un varēja aizdegties. Mūsdienu polimēru akumulatori ir aprīkoti ar iebūvētu ķēdi, lai novērstu pārlādēšanu. Tāpat tos ieteicams uzlādēt tikai ar speciālajiem lādētāji piegādāti vai līdzīgi modeļi.

Ne mazāk kā svarīga īpašība akumulators - izmaksas. Šodien tas ir visvairāk liela problēma akumulatoru attīstības ceļā.

Elektriskā transportlīdzekļa jauda

Tesla Motors rada akumulatorus, izmantojot jaunas tehnoloģijas, kuru pamatā ir komponenti preču zīme Panasonic. Visbeidzot, noslēpums netiek atklāts, bet testa rezultāts priecē. Ecomobile Tesla modelis S, kas aprīkots ar tikai 85 kWh akumulatoru, ar vienu uzlādi nobrauca nedaudz vairāk par 400 km. Protams, pasaule nav bez ziņkārīgajiem, tāpēc viena no šīm baterijām 45 000 USD vērtībā tomēr tika atvērta.

Iekšpusē bija daudz Panasonic litija jonu elementu. Tajā pašā laikā autopsija nedeva visas atbildes, kuras es vēlētos saņemt.

Nākotnes tehnoloģijas

Neskatoties uz ilgs periods stagnācija, zinātne ir uz liela izrāviena robežas. Pilnīgi iespējams, ka rīt mobilais tālrunis bez uzlādēšanas strādās mēnesi, bet elektromobilis ar vienu uzlādi nobrauks 800 km.

Nanotehnoloģijas

Dienvidkalifornijas universitātes zinātnieki apgalvo, ka grafīta anodu aizstāšana ar silīcija vadiem, kuru diametrs ir 100 nm, palielinās akumulatora ietilpību 3 reizes, bet uzlādes laiks samazināsies līdz 10 minūtēm.

Stenfordas Universitāte ierosināja fundamentāli jaunais veids anodi. Porainas oglekļa nanovadas, kas pārklātas ar sēru. Pēc viņu domām, šāds strāvas avots uzkrāj 4-5 reizes vairāk elektroenerģijas nekā litija jonu akumulators.

Tā apgalvoja ASV zinātnieks Deivids Kizails uzlādējamās baterijas uz magnetīta kristālu bāzes būs ne tikai ietilpīgāks, bet arī salīdzinoši lēts. Galu galā šos kristālus var iegūt no vēžveidīgo zobiem.

Vašingtonas universitātes zinātnieki uz lietām raugās praktiskāk. Viņi jau ir patentējuši jaunas akumulatoru tehnoloģijas, kurās grafīta elektroda vietā izmanto alvas anodu. Viss pārējais nemainīsies, un jaunas baterijas var viegli nomainīt vecos mūsu pazīstamajos sīkrīkos.

Revolūcija šodien

Atkal elektromobiļi. Pagaidām jaudas un nobraukuma ziņā tie joprojām ir zemāki par automašīnām, taču tas nav uz ilgu laiku. Tā saka korporācijas IBM pārstāvji, kuri ierosināja litija-gaisa bateriju koncepciju. Turklāt šogad patērētājam tiek solīts prezentēt jaunu visos aspektos pārāku barošanas bloku.