Zoberme si úplne prvý súčasný zdroj vynájdený Voltou a nesúci meno Galvani.

Zdrojom prúdu v akýchkoľvek batériách môže byť iba redoxná reakcia. V skutočnosti ide o dve reakcie: atóm sa oxiduje, keď stratí elektrón. Získanie elektrónu sa nazýva zotavenie. To znamená, že redoxná reakcia prebieha v dvoch bodoch: odkiaľ a kam prúdia elektróny.

Dva kovy (elektródy) sú ponorené do vodného roztoku ich solí kyseliny sírovej. Kov jednej elektródy sa oxiduje a druhá redukuje. Dôvodom reakcie je, že prvky jednej elektródy priťahujú elektróny silnejšie ako prvky druhej. V páre kovových elektród Zn - Cu má ión medi (nie neutrálna zlúčenina) väčšiu schopnosť priťahovať elektróny, preto, keď je príležitosť, elektrón prechádza k silnejšiemu hostiteľovi a ión zinku je vytrhnutý. roztokom kyseliny do elektrolytu (nejaká iónovo vodivá látka). Prenos elektrónov sa uskutočňuje pozdĺž vodiča cez vonkajšiu elektrickú sieť. Súbežne s pohybom záporného náboja v opačnom smere sa elektrolytom pohybujú kladne nabité ióny (anióny) (pozri video)

Vo všetkých CHIT pred lítium-iónmi je elektrolyt aktívnym účastníkom prebiehajúcich reakcií
pozri princíp fungovania olovenej batérie

Galvaniho chyba

Elektrolyt je tiež vodičom prúdu, iba druhého druhu, v ktorom pohyb náboja vykonávajú ióny. Ľudské telo je práve takým vodičom a svaly sa sťahujú v dôsledku pohybu aniónov a katiónov.
L. Galvani teda náhodne spojil dve elektródy cez prírodný elektrolyt – vypreparovanú žabu.

Charakteristika HIT

Kapacita - počet elektrónov (elektronický náboj), ktoré môžu prejsť cez pripojené zariadenie až do úplného vybitia batérie [Q] resp.
Kapacita celej batérie je tvorená kapacitami katódy a anódy: koľko elektrónov je schopná anóda rozdať a koľko elektrónov je schopná prijať katóda. Prirodzene, menšia z dvoch kapacít bude limitujúca.

Napätie - potenciálny rozdiel. energetická charakteristika, ktorá ukazuje, akú energiu uvoľňuje jednotkový náboj pri prechode z anódy na katódu.

Energia je práca, ktorú je možné vykonať na danom HIT až do úplného vybitia.[J] resp
Výkon - miera výdaja energie alebo práce za jednotku času
Trvanlivosť resp Coulombova účinnosť- aké percento kapacity sa nenávratne stratí počas cyklu nabíjania a vybíjania.

Všetky charakteristiky sú predpovedané teoreticky, avšak kvôli mnohým faktorom, ktoré je ťažké vziať do úvahy, je väčšina charakteristík spresnená experimentálne. Takže všetky sa dajú predpovedať pre ideálny prípad na základe chémie, ale makroštruktúra má obrovský vplyv na kapacitu, výkon a životnosť.

Trvanlivosť a kapacita teda do značnej miery závisia od rýchlosti nabíjania / vybíjania a od makroštruktúry elektródy.
Preto je batéria charakterizovaná nie jedným parametrom, ale celou sadou pre rôzne režimy. Napríklad napätie batérie (energia prenosu nabitia jednotky**) možno odhadnúť ako prvú aproximáciu (v štádiu materiálového hľadiska) z hodnôt ionizačné energie atómov účinných látok pri oxidácii a redukcii. Ale skutočná hodnota je rozdiel v chem. potenciálov, na meranie ktorých, ako aj na meranie nabíjacích/vybíjacích kriviek, je testovací článok zostavený s testovacou elektródou a referenčnou elektródou.

Na báze elektrolytov vodné roztoky pomocou štandardnej vodíkovej elektródy. Pre Lithium-Ion - kovové lítium.

*Ionizačná energia je energia, ktorá musí byť odovzdaná elektrónu, aby sa prerušila väzba medzi ním a atómom. To znamená, že s opačným znamienkom predstavuje energiu väzby a systém sa vždy snaží minimalizovať energiu väzby
** Jediný prenos energie - prenosová energia jedného elementárneho náboja 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] alebo 1eV (elektrónvolt)

Li-ion batérie

<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.
Ako už bolo uvedené, v lítium-iónových batériách sa elektrolyt priamo nezúčastňuje reakcie. Kde prebiehajú dve hlavné reakcie: oxidácia a redukcia a ako sa vyrovnáva rovnováha náboja?
Priamo k týmto reakciám dochádza medzi lítiom v anóde a atómom kovu v katódovej štruktúre. Ako je uvedené vyššie, objavenie sa lítium-iónových batérií nie je len objavom nových spojení pre elektródy, je to objavenie nového princípu fungovania CIT:
Elektrón slabo viazaný na anódu uniká po vonkajšom vodiči ku katóde.
V katóde elektrón spadne na obežnú dráhu kovu, čím kompenzuje 4. elektrón, ktorý mu prakticky odoberie kyslík. Teraz sa kovový elektrón konečne pripojí ku kyslíku a výsledné elektrické pole vtiahne lítny ión do medzery medzi vrstvami kyslíka. Obrovská energia lítium-iónových batérií sa teda dosahuje tým, že sa nezaoberá obnovou vonkajších 1,2 elektrónov, ale obnovou „hlbších“. Napríklad pre cobolt, 4. elektrón.
Lítiové ióny sú zadržiavané v katóde v dôsledku slabej, asi 10 kJ/mol, interakcie (van der Waals) s elektrónovými oblakmi atómov kyslíka, ktoré ich obklopujú (červená)

Li je tretí prvok v , má nízku atómovú hmotnosť a malú veľkosť. Vzhľadom na to, že lítium začína a navyše iba v druhom rade, veľkosť neutrálneho atómu je pomerne veľká, zatiaľ čo veľkosť iónu je veľmi malá, menšia ako veľkosť atómov hélia a vodíka, čo ho robí prakticky nevyhnutné v schéme LIB. ďalší dôsledok vyššie uvedeného: vonkajší elektrón (2s1) má zanedbateľnú väzbu s jadrom a môže sa ľahko stratiť (to je vyjadrené skutočnosťou, že lítium má najnižší potenciál v porovnaní s vodíkovou elektródou P=-3,04V).

Hlavné zložky LIB

Elektrolyt

Na rozdiel od tradičných batérií sa elektrolyt spolu so separátorom priamo nezúčastňuje reakcie, ale zabezpečuje len transport lítiových iónov a neumožňuje transport elektrónov.
Požiadavky na elektrolyt:
- dobrá iónová vodivosť
- nízka elektronika
- nízke náklady
- nízka hmotnosť
- netoxicita
- SCHOPNOSŤ PRACOVAŤ V NASTAVENOM ROZSAHU NAPÄTIA A TEPLOT
- zabrániť štrukturálnym zmenám elektród (zabrániť poklesu kapacity)
V tejto recenzii vám dovolím obísť tému elektrolytov, ktorá je síce technicky zložitá, no pre našu tému nie až taká dôležitá. Roztok LiFP 6 sa používa hlavne ako elektrolyt
Aj keď sa verí, že elektrolyt so separátorom je absolútny izolátor, v skutočnosti to tak nie je:
V lítium-iónových článkoch dochádza k samovybíjaniu. tie. lítiový ión s elektrónmi dosiahne katódu cez elektrolyt. Preto je potrebné pri dlhodobom skladovaní udržiavať batériu čiastočne nabitú.
Pri dlhých prerušeniach prevádzky dochádza aj k javu starnutia, keď sú oddelené skupiny oddelené od rovnomerne nasýteného lítneho iónu, čím sa porušuje rovnomernosť koncentrácie a tým sa znižuje celková kapacita. Preto si pri kúpe batérie musíte skontrolovať dátum vydania

Anódy

Anódy sú elektródy, ktoré majú slabú väzbu, a to ako s „hosťujúcim“ lítiovým iónom, tak aj so zodpovedajúcim elektrónom. V súčasnosti dochádza k boomu vo vývoji rôznych anódových riešení pre lítium-iónové batérie.
požiadavky na anódy

• Vysoká elektronická a iónová vodivosť (rýchly proces zabudovania / extrakcie lítia)
• Nízke napätie s testovacou elektródou (Li)
• Veľká špecifická kapacita
• Vysoká stabilita anódovej štruktúry počas vkladania a extrakcie lítia, ktoré je zodpovedné za Coulomb

Metódy zlepšenia:

• Zmeňte makroštruktúru štruktúry látky anódy
• Znížte pórovitosť látky
• Vyberte nový materiál.
• Používajte zmiešané materiály
• Zlepšite vlastnosti fázového rozhrania s elektrolytom.

Vo všeobecnosti možno LIB anódy rozdeliť do 3 skupín podľa spôsobu, akým je lítium umiestnené v jej štruktúre:

Anódy sú hostitelia. Grafit

Takmer každý si zo strednej školy pamätá, že uhlík existuje v pevnej forme v dvoch základných štruktúrach – grafit a diamant. Rozdiel vo vlastnostiach týchto dvoch materiálov je markantný: jeden je priehľadný, druhý nie. Jeden izolant je ďalší vodič, jeden reže sklo, druhý sa trení o papier. Dôvodom je odlišný charakter medziatómových interakcií.
Diamant je kryštálová štruktúra, kde sa vďaka hybridizácii sp3 vytvárajú medziatómové väzby, to znamená, že všetky väzby sú rovnaké - všetky tri 4 elektróny tvoria σ-väzby s iným atómom.
Grafit vzniká hybridizáciou sp2, ktorá určuje vrstvenú štruktúru a slabé spojenie medzi vrstvami. Prítomnosť „plávajúcej“ kovalentnej π-väzby robí z grafitového uhlíka vynikajúci vodič
Grafit je prvý a dnes hlavný anódový materiál, ktorý má mnoho výhod.
Vysoká elektronická vodivosť
Vysoká iónová vodivosť
Malé objemové deformácie pri zavádzaní atómov lítia
Nízke náklady
Prvý grafit ako anódový materiál navrhol v roku 1982 S.Basu a v roku 1985 ho do lítium-iónového článku zaviedol A. Yoshino.
Najprv sa v elektróde používal grafit v prírodnej forme a jej kapacita dosahovala len 200 mAh/g. Hlavným zdrojom na zvýšenie kapacity bolo zlepšenie kvality grafitu (zlepšenie štruktúry a čistenie od nečistôt). Faktom je, že vlastnosti grafitu sa výrazne líšia v závislosti od jeho makroštruktúry a prítomnosť mnohých anizotropných zŕn v štruktúre, inak orientovaných, výrazne zhoršuje difúzne vlastnosti látky. Inžinieri sa snažili zvýšiť stupeň grafitizácie, ale jej zvýšenie viedlo k rozkladu elektrolytu. Prvým riešením bolo použitie drveného nízko grafitizovaného uhlíka zmiešaného s elektrolytom, čím sa zvýšila anódová kapacita na 280mAh/g (technológia je stále široko používaná).To bolo prekonané v roku 1998 zavedením špeciálnych prísad do elektrolytu, ktoré vytvárajú ochrannú vrstva na prvom cykle (ďalej len rozhranie pevného elektrolytu SEI), ktorá zabraňuje ďalšiemu rozkladu elektrolytu a umožňuje použitie umelého grafitu 320 mAh/g. Kapacita grafitovej anódy už dosiahla 360 mAh/g a kapacita celej elektródy je 345mAh/g a 476 Ah/l

Reakcia: Li 1-x C6 + Li x ↔ LiC 6

Štruktúra grafitu je schopná prijať maximálne 1 atóm Li na 6 C, preto je maximálna dosiahnuteľná kapacita 372 mAh / g (to nie je ani tak teoretický údaj ako bežne používaný údaj, keďže tu je najvzácnejší prípad, kedy niečo skutočné presahuje teoretické, pretože v praxi môžu byť lítiové ióny umiestnené nielen vo vnútri článkov, ale aj na zlomoch grafitových zŕn)
Od roku 1991 grafitová elektróda prešla mnohými zmenami av niektorých charakteristikách sa zdá ako nezávislý materiál dosiahol svoj strop. Hlavnou oblasťou zlepšenia je zvýšenie výkonu, t.j. Rýchlosť vybíjania/nabíjania batérie. Úlohou zvýšenia výkonu je zároveň aj zvýšenie životnosti, pretože rýchle vybíjanie/nabíjanie anódy vedie k deštrukcii grafitovej štruktúry lítiovými iónmi, ktoré sú cez ňu „natiahnuté“. Okrem štandardných techník zvyšovania výkonu, ktoré zvyčajne vedú k zvýšeniu pomeru povrch/objem, je potrebné poznamenať štúdium difúznych vlastností grafitového monokryštálu v rôznych smeroch kryštálovej mriežky, ktoré ukazuje, že rýchlosť difúzie lítia sa môže líšiť o 10 rádov.

K.S. Novoselov a A.K. Geim – laureáti Nobelovej ceny za fyziku za rok 2010 Priekopníci nezávislého využitia grafénu
Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125
Asahi Chemical Ind. Japonský patent 1989293
Ube Industries Ltd. US patent 6,033,809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa a Ralph J. Brodd. Veda a technológie o lítium-iónových batériách Springer 2009.
Difúzia lítia v grafitickom uhlíku Kristin Persson at.al. Phys. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
Štrukturálne a elektronické vlastnosti lítium interkalovaného grafitu LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Prehľad 2003.
Aktívny materiál pre zápornú elektródu používanú v lítium-iónovej batérii a spôsob jej výroby. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923.908 2003
Vplyv hustoty elektród na výkon cyklu a nevratná strata kapacity pre anódu z prírodného grafitu v lítium-iónových batériách. Joongpyo Shim a Kathryn A. Striebel

Anódy Tin and Co. Zliatiny

K dnešnému dňu sú jednou z najsľubnejších anódy z prvkov 14. skupiny periodickej tabuľky. Už pred 30 rokmi bola dobre študovaná schopnosť cínu (Sn) vytvárať zliatiny (intersticiálne roztoky) s lítiom. Až v roku 1995 Fuji oznámila anódový materiál na báze cínu (pozri napr.
Bolo logické očakávať, že ľahšie prvky tej istej skupiny budú mať rovnaké vlastnosti a kremík (Si) a germánium (Ge) skutočne vykazujú identický vzor akceptácie lítia.
Li22Sn5, Li22Ge5, Li15Si4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Hlavným a všeobecným problémom pri použití tejto skupiny materiálov sú obrovské, od 357% do 400%, objemové deformácie pri nasýtení lítiom (počas nabíjania), čo vedie k veľkým stratám kapacity v dôsledku straty kontaktu s prúdom. kolektor časťou materiálu anódy.

Snáď najprepracovanejším prvkom tejto skupiny je cín:
keďže je najťažší, poskytuje ťažšie riešenia: maximálna teoretická kapacita takejto anódy je 960 mAh/g, ale kompaktná (7000 Ah/l -1960 Ah/l* ) napriek tomu prevyšuje tradičné uhlíkové anódy 3 a 8 (2,7* ) krát , resp.
Najsľubnejšie sú anódy na báze kremíka, ktoré sú teoreticky (4200 mAh/g ~3590mAh/g) viac ako 10-krát ľahšie a 11 (3,14*)-krát kompaktnejšie (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) ako grafit anódy.
Si nemá dostatočnú elektronickú a iónovú vodivosť, preto je potrebné hľadať ďalšie prostriedky na zvýšenie výkonu anódy.
Ge , germánium sa nespomína tak často ako Sn a Si, ale ako medziprodukt má veľkú kapacitu (1 600 mAh / g ~ 2 200 * Ah / l ) a 400-krát vyššiu iónovú vodivosť ako Si, čo môže prevážiť jeho vysoké náklady. vytvárania vysokovýkonnej elektrotechniky

Spolu s veľkými objemovými deformáciami existuje ďalší problém:
strata kapacity v prvom cykle v dôsledku nevratnej reakcie lítia s oxidmi

SnOx +x2Li + -->xLi20+Sn
xLi20+Sn+yLi+<-->xLi 2 O+Li y Sn

Ktoré sú väčšie, tým väčší je kontakt elektródy so vzduchom (čím väčší je povrch, t.j. jemnejšia štruktúra)
Bolo vyvinutých mnoho schém, ktoré umožňujú v tej či onej miere využiť veľký potenciál týchto zlúčenín, čím sa zmierňujú nevýhody. Avšak, rovnako ako výhody:
Všetky tieto materiály sa v súčasnosti používajú v anódach kombinovaných s grafitom, čím sa zvyšujú ich charakteristiky o 20-30%.

* hodnoty sú označené, opravené autorom, keďže bežné čísla nezohľadňujú výrazné zvýšenie objemu a pracujú s hodnotou hustoty účinnej látky (pred nasýtením lítiom), a preto neodrážajú skutočný stav vecí vôbec

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
Patentová prihláška USA 20080003502.
Chémia a štruktúra Sony Nexelion
Materiály lítium-iónových elektród
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read a D. Foster
Armádne výskumné laboratórium 2006.

Elektródy pre Li-Ion batérie – nový spôsob, ako sa pozrieť na starý problém
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

Existujúci vývoj

Všetky existujúce riešenia problému veľkých deformácií anód vychádzajú z jediného hľadiska: počas expanzie je príčinou mechanického namáhania monolitická povaha systému: rozbiť monolitickú elektródu na mnoho možných menších štruktúr, čo im umožní expandovať nezávisle od každej iné.
Prvým, najzrejmejším spôsobom je jednoduché rozomletie látky pomocou nejakého držiaka, ktorý zabráni zlučovaniu častíc do väčších, ako aj nasýteniu výslednej zmesi elektrónovo vodivými činidlami. Podobné riešenie by sa dalo vysledovať vo vývoji grafitových elektród. Táto metóda umožnila dosiahnuť určitý pokrok vo zvyšovaní kapacity anód, ale napriek tomu, až do úplného odhalenia potenciálu uvažovaných materiálov, zvýšením kapacity (objemu aj hmotnosti) anódy o ~ 10- 30 % (400 -550 mAh / g) pri nízkej spotrebe
Relatívne skorý spôsob zavádzania nanočastíc cínu (elektrolýzou) na povrch grafitových guľôčok,
Dômyselný a jednoduchý prístup k problému umožnil vytvoriť účinnú batériu s použitím bežného priemyselného prášku 1668 Ah/l
Ďalším krokom bol prechod od mikročastíc k nanočasticiam: ultramoderné batérie a ich prototypy zvažujú a formujú štruktúry hmoty v nanometrovom meradle, čo umožnilo zvýšiť kapacitu na 500 - 600 mAh / g (~ 600 Ah / l *) s prijateľnou životnosťou

Jedným z mnohých perspektívnych typov nanoštruktúr v elektródach je tzv. konfigurácia shell-core, kde jadro je guľôčka s malým priemerom z pracovnej látky a plášť slúži ako „membrána“, ktorá zabraňuje lámaniu častíc a zabezpečuje elektronickú komunikáciu s okolím. Použitie medi ako plášťa pre nanočastice cínu ukázalo pôsobivé výsledky, ukazujúce vysokú kapacitu (800 mAh/g – 540 mAh/g *) počas mnohých cyklov, ako aj pri vysokých nabíjacích/vybíjacích prúdoch. V porovnaní s uhlíkovým plášťom (600 mAh/g ) je to u Si-C podobné.

Ako bolo uvedené, na zníženie škodlivých účinkov prudkej expanzie pracovnej látky je potrebné zabezpečiť priestor na expanziu.
V minulom roku výskumníci dosiahli pôsobivý pokrok vo vytváraní funkčných nanoštruktúr: nanorúd
Jaephil Cho dosahuje nízky výkon 2800 mAh/g pri 100 cykloch a 2600 → 2400 pri vyššom výkone pomocou poréznej silikónovej štruktúry
ako aj stabilné Si nanovlákna potiahnuté 40nm grafitovým filmom, demonštrujúce 3400 → 2750 mAh/g (akt. in-va) po 200 cykloch.
Yan Yao a kol. navrhujú použiť Si vo forme dutých guľôčok, čím sa dosiahne úžasná životnosť: počiatočná kapacita 2725 mah/g (a iba 336 Ah/l (*)) s poklesom kapacity po 700 cykloch na menej ako 50 %

V septembri 2011 vedci z Berkley Lab oznámili vytvorenie stabilného elektrónovo vodivého gélu,
čo by mohlo spôsobiť revolúciu v používaní kremíkových materiálov. Význam tohto vynálezu možno len ťažko preceňovať: nový gél môže slúžiť ako držiak a vodič zároveň, čím zabraňuje spájaniu nanočastíc a strate kontaktu. Umožňuje použitie lacných priemyselných práškov ako aktívneho materiálu a podľa tvorcov je cenovo porovnateľný s tradičnými držiakmi. Elektróda vyrobená z priemyselných materiálov (Si nanoprášok) poskytuje stabilných 1360 mAh/g a veľmi vysoké 2100 Ah/l (*)

*- odhad skutočnej kapacity vypočítaný autorom (pozri prílohu)
PANI. Foster, C.E. Croutamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US patentová prihláška 20080003502.
Chémia a štruktúra lítium-iónových elektród Sony Nexelion J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read a D. Foster Army Research Laboratory 2006.
Anódy vysokokapacitnej Li-Ion batérie využívajúce nanovlákna Ge
Guľové frézovanie Kompozitné anódové materiály grafitu/cínu v tekutom médiu. Ke Wang 2007.
Bezelektricky pokovované zlúčeniny cínu na uhlíkatej zmesi ako anóda pre lítium-iónovú batériu Journal of Power Sources 2009.
Vplyv uhlíkovej škrupiny na kompozitnú anódu Sn-C pre lítium-iónové batérie. Kiano Ren a kol. Ionics 2010.
Nové Core-Shell Sn-Cu anódy pre Li Rech. Batérie pripravené redox-transmetaláciou reagujú. pokročilé materiály. 2010
Jadro dvojplášťové Si@SiO2@C nanokompozity ako anódové materiály pre lítium-iónové batérie Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Polyméry s elektronickou štruktúrou na mieru pre vysokokapacitné elektródy lítiových batérií Gao Liu et al. Adv. mater. 2011, 23, 4679–4683
Prepojené silikónové duté nanoguľôčky pre anódy lítium-iónových batérií s dlhou životnosťou. Yan Yao a kol. Nano Letters 2011.
Porézne Si anódové materiály pre lítiové dobíjacie batérie, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009-4014
Elektródy pre lítium-iónové batérie – nový spôsob, ako sa pozrieť na starý problémový časopis The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
OPRAVY AKUMULÁTOROV, US Patent 8062556 2006

Aplikácia

Špeciálne prípady elektródových štruktúr:

Odhad skutočnej kapacity medených nanočastíc cínu Cu@Sn

Z článku je objemový pomer častíc 1 až 3 m




0,52 je pomer balenia prášku. V súlade s tým je zvyšok objemu za držiakom 0,48

Nanosféry. Pomer balenia.
nízka objemová kapacita udávaná pre nanoguľôčky je spôsobená skutočnosťou, že guľôčky sú vo vnútri duté, a preto je pomer balenia aktívneho materiálu veľmi nízky

dokonca to bude 0,1, na porovnanie pre jednoduchý prášok - 0,5...07

Výmena reakčných anód. oxidy kovov.

Do perspektívnej skupiny nepochybne patria aj oxidy kovov, ako je Fe 2 O 3 . Tieto materiály, ktoré majú vysokú teoretickú kapacitu, tiež vyžadujú riešenia na zvýšenie diskrétnosti aktívnej látky elektródy. V tejto súvislosti sa tu bude venovať náležitá pozornosť takej významnej nanoštruktúre, akou je nanovlákno.
Oxidy ukazujú tretí spôsob, ako zahrnúť a vylúčiť lítium v ​​štruktúre elektródy. Ak sa v grafite lítium nachádza hlavne medzi vrstvami grafénu, v roztokoch s kremíkom sa zavádza do jeho kryštálovej mriežky, potom tu dochádza skôr k „výmene kyslíka“ medzi „hlavným“ kovom elektródy a hosťom - lítiom. V elektróde sa vytvorí pole oxidu lítneho a základný kov je impregnovaný do nanočastíc vo vnútri matrice (pozri napríklad reakciu s oxidom molybdénu na obrázku MoO 3 + 6Li + + 6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Z tejto povahy interakcie vyplýva potreba ľahkého pohybu kovových iónov v štruktúre elektródy, t.j. vysoká difúzia, čo znamená prechod na jemné častice a nanoštruktúry

Keď už hovoríme o odlišnej morfológii anódy, spôsoboch poskytovania elektronickej komunikácie, okrem tradičnej (aktívny prášok, grafitový prášok + držiak) možno rozlíšiť aj iné formy grafitu ako vodivého činidla:
Bežným prístupom je kombinácia grafénu a hlavnej látky, kedy sa nanočastice môžu nachádzať priamo na grafénovom „liste“ a ten bude slúžiť ako vodič a tlmič pri expanzii pracovnej látky. Táto štruktúra bola navrhnutá pre Co 3 O 4 778 mAh/g a je pomerne odolná. Podobne ako 1 100 mAh/g pre Fe 2 O 3
ale vzhľadom na veľmi nízku hustotu grafénu je ťažké dokonca posúdiť, do akej miery sú takéto riešenia použiteľné.
Ďalším spôsobom je použitie grafitových nanorúrok A.C. Dillon a kol. experimentovanie s MoO 3 ukazuje vysokú kapacitu 800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l*) s 5 % hmotn. stratou kapacity držiaka po 50 cykloch potiahnutia oxidom hlinitým a tiež Fe304, bez použitia držiak stabilný 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Obr. vpravo: SEM snímka anódových nanovlákien / Fe 2 O 3 s grafitovými tenkými trubicami 5 hm. % (biela)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi20+xM

Pár slov o nanovláknách

V poslednej dobe sú nanovlákna jednou z horúcich tém publikácií v materiálových publikáciách, najmä tých, ktoré sa venujú sľubným batériám, pretože poskytujú veľký aktívny povrch s dobrým spojením medzi časticami.
Spočiatku sa nanovlákna používali ako druh aktívneho materiálu nanočastíc, ktoré v homogénnej zmesi s držiakom a vodivými činidlami tvoria elektródu.
Otázka hustoty balenia nanovlákien je veľmi komplikovaná, pretože závisí od mnohých faktorov. A zrejme zámerne prakticky neosvetlené (konkrétne vo vzťahu k elektródam). To už sťažuje analýzu skutočných indikátorov celej anódy. Na vytvorenie odhadu sa autor odvážil použiť prácu R. E. Mucka venovanú rozboru hustoty sena v bunkroch. Podľa SEM obrázkov nanovlákien by optimistická analýza hustoty balenia bola 30 – 40 %
V posledných 5 rokoch sa väčšia pozornosť sústredila na syntézu nanovlákien priamo na zberači prúdu, čo má množstvo vážnych výhod:
Je zabezpečený priamy kontakt pracovného materiálu so zberačom prúdu, zlepšuje sa kontakt s elektrickým prúdom a odpadá potreba grafitových prísad. obchádza sa niekoľko stupňov výroby, výrazne sa zvyšuje hustota balenia pracovnej látky.
K. Chan et al., testovanie nanovlákien Gen získalo 1000 mAh/g (800Ah/l) pri nízkej spotrebe a 800→550 (650→450 Ah/l*) pri 2 °C po 50 cykloch. Yanguang Li a autori zároveň ukázali vysokú kapacitu a obrovský výkon Co 3 O 4: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) po 20 cykloch a 600 mAh / g (480 Ah / l * ) pri 20-násobnom zvýšení prúdu

Inšpirujúce diela A. Belchera**, ktoré sú prvými krokmi do novej éry biotechnológií, si treba všimnúť a odporučiť ich každému na zoznámenie.
Úpravou bakteriofágového vírusu sa A. Belcherovi podarilo na jeho báze vybudovať nanovlákna pri izbovej teplote, vďaka prirodzenému biologickému procesu. Vzhľadom na vysokú štrukturálnu čistotu takýchto vlákien sú výsledné elektródy nielen neškodné životné prostredie, ale tiež vykazujú zhutnenie balíka vlákien a výrazne odolnejšiu prevádzku.

*- odhad skutočnej kapacity vypočítaný autorom (pozri prílohu)
**
Angela Belcher je vynikajúca vedkyňa (chemička, elektrochemička, mikrobiologička). Vynálezca syntézy nanovlákien a ich usporiadania do elektród prostredníctvom špeciálne vyšľachtených vírusových kultúr
(pozri rozhovor)

Aplikácia

Ako už bolo povedané, k nabitiu anódy dochádza prostredníctvom reakcie

V literatúre som nenašiel údaje o skutočných rýchlostiach rozpínania elektródy pri nabíjaní, preto ich navrhujem hodnotiť čo najmenšími zmenami. To znamená, že podľa pomeru molárnych objemov reaktantov a reakčných produktov (V Lihitated - objem nabitej anódy, V UnLihitated - objem vybitej anódy) možno ľahko zistiť hustoty kovov a ich oxidov. v otvorených zdrojoch.

Výpočtové vzorce	Príklad výpočtu pre MoO 3

Treba mať na pamäti, že výsledná objemová kapacita je kapacita spojitej účinnej látky, preto v závislosti od typu štruktúry účinná látka zaberá rôzny podiel objemu celého materiálu, bude sa to brať do úvahy. pri zavedení súčiniteľa balenia k p . Napríklad pre prášok je to 50-70%

Vysoko reverzibilná Co3O4/grafénová hybridná anóda pre lítiové dobíjacie batérie. H.Kim a kol. CARBON 49(2011) 326-332
Nanoštruktúrovaný kompozit s redukovaným oxidom grafénu/Fe2O3 ako vysokovýkonný anódový materiál pre lítium-iónové batérie. ACSNANO VOL. 4 ▪ NIE. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
Anódy nanoštruktúrovaných oxidov kovov. A. C. Dillon. 2010
Nový spôsob pohľadu na hustotu siláže v bunkri. R. E. Muck. US Dairy Forage Research Center Madison, Madison WI
Anódy vysokokapacitných lítium-iónových batérií využívajúce Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, č. 1 307-309
Mezoporézne nanovláknové polia Co3O4 pre lítium-iónové batérie s vysokou kapacitou a rýchlosťou. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, č. 1 265-270
Vírusová syntéza a montáž nanodrôtov pre elektródy lítium-iónových batérií Ki Tae Nam, Angela M. Belcher a kol. www.scienceexpress.org /06. apríl 2006 / Strana 1 / 10.1126/science.112271
Vírusová silikónová anóda pre lítium-iónové batérie. Xilin Chen a kol. ACS Nano, 2010, 4(9), str. 5366–5372.
VÍRUSOVÉ LEŠENIE PRE SAMO MONTOVANÉ, FLEXIBILNÉ A ĽAHKÉ LÍTIOVÉ BATÉRIE MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Lítium-iónový HIT. katódy

Katódy lítium-iónových batérií musia byť hlavne schopné prijímať lítiové ióny a poskytovať vysoké napätie, a teda veľkú energiu spolu s kapacitou.

Zaujímavá situácia sa vyvinula v oblasti vývoja a výroby katód Li-Ion batérií. V roku 1979 John Goodenough a Mizuchima Koichi patentovali LiMO2 vrstvené katódy pre Li-Ion batérie, ktoré pokrývajú takmer všetky existujúce katódy lítium-iónových batérií.
Kľúčové prvky katódy
kyslík, ako spojenie, most, ako aj lítium „chytanie“ svojimi elektrónovými mrakmi.
Prechodný kov (t. j. kov s valenčnými d-orbitálmi), pretože môže vytvárať štruktúry s rôznym počtom väzieb. Prvé katódy používali síru TiS 2, ale potom prešli na kyslík, kompaktnejší a hlavne elektronegatívny prvok, ktorý dával takmer úplne iónovú väzbu s kovmi. Vrstvená štruktúra LiMO 2 (*) je najbežnejšia a všetok vývoj sa točí okolo troch kandidátov M=Co, Ni, Mn a neustále sa pozerá na veľmi lacné Fe.

kobalt, na rozdiel od mnohých vecí, zachytil Olympus okamžite a stále ho drží (90% katód), ale vďaka vysokej stabilite a správnosti vrstvenej štruktúry od 140 mAh / g sa kapacita LiCoO 2 zvýšila na 160-170 mAh / g , vďaka rozšíreniu napäťového rozsahu. Ale kvôli svojej vzácnosti na Zemi je Co príliš drahý a jeho použitie v čistej forme môže byť odôvodnené iba v malých batériách, napríklad pre telefóny. 90 % trhu zaberá úplne prvá a v súčasnosti stále najkompaktnejšia katóda.
Nikel bol a zostáva sľubným materiálom s vysokou hodnotou 190 mA/g, ale je oveľa menej stabilný a takáto vrstvená štruktúra vo svojej čistej forme pre Ni neexistuje. Extrakcia Li z LiNiO 2 produkuje takmer 2-krát viac tepla ako z LiCoO 2, čo robí jeho použitie v tejto oblasti neprijateľným.
mangán. Ďalšou dobre preštudovanou štruktúrou je štruktúra vynájdená v roku 1992. Jean-Marie Tarasco, oxid mangánová spinelová katóda LiMn 2 O 4 : s mierne nižšou kapacitou je tento materiál oveľa lacnejší ako LiCoO 2 a LiNiO 2 a oveľa spoľahlivejší. Dnes je to dobrý variant pre hybridné vozidlá. Najnovší vývoj súvisí so zlievaním niklu kobaltom, čo výrazne zlepšuje jeho štruktúrne vlastnosti. Významné zlepšenie stability bolo tiež zaznamenané, keď bol Ni dopovaný elektrochemicky inaktívnym Mg:LiNi1-yMgy02. Existuje veľa zliatin LiMn x O 2x pre lítium-iónové katódy.
zásadný problém- ako zvýšiť kapacitu. Pri cíne a kremíku sme už videli, že najzreteľnejším spôsobom zvýšenia kapacity je cestovanie po periodickej tabuľke, ale nanešťastie neexistuje nič nad súčasne používanými prechodnými kovmi (obr. vpravo). Preto je všetok pokrok v posledných rokoch súvisiaci s katódami vo všeobecnosti spojený s odstránením existujúcich nedostatkov: zvyšovaním trvanlivosti, zlepšovaním kvality, štúdiom ich kombinácií (obrázok hore vľavo)
Železo. Od začiatku lítium-iónovej éry sa uskutočnilo veľa pokusov použiť železo v katódach, ale všetky bezvýsledne. Hoci LiFeO 2 by bola ideálna lacná a výkonná katóda, ukázalo sa, že Li nemožno extrahovať zo štruktúry v normálnom rozsahu napätia. Situácia sa radikálne zmenila v roku 1997 štúdiom e/h vlastností olivínu LiFePO 4 . Vysoká kapacita (170 mAh/g) cca 3,4 V s lítiovou anódou a bez vážneho poklesu kapacity ani po niekoľkých stovkách cyklov. Hlavnou nevýhodou olivínu po dlhú dobu bola slabá vodivosť, ktorá výrazne obmedzovala výkon. Na nápravu situácie boli vykonané klasické pohyby (brúsenie s grafitovým povlakom) pomocou gélu s grafitom, bolo možné dosiahnuť vysoký výkon pri 120 mAh / g na 800 cyklov. Skutočne obrovský pokrok sa dosiahol slabým dopovaním Nb, zvýšením vodivosti o 8 rádov.
Všetko nasvedčuje tomu, že Olivín sa stane najmasívnejším materiálom pre elektromobily. O výhradné vlastníctvo práv na LiFePO 4 sa už niekoľko rokov žaluje spoločnosť A123 Systems Inc. a Black & Decker Corp, nie bezdôvodne veriť, že ide o budúcnosť elektrických vozidiel. Nečudujte sa, ale všetky patenty sú podané pre toho istého kapitána katód - Johna Goodenougha.
Olivín dokázal možnosť využitia lacných materiálov a prerazil akúsi platinu. Do výsledného priestoru sa okamžite vrútila inžinierska myšlienka. Takže teraz sa napríklad aktívne diskutuje o náhrade síranov fluorofosfátmi, ktoré zvýšia napätie o 0,8 V, t.j. Zvýšte energiu a výkon o 22%.
Je to smiešne: kým prebieha spor o práva na olivín, natrafil som na veľa noname výrobcov, ktorí ponúkajú prvky na novej katóde,

* Všetky tieto zlúčeniny existujú stabilne iba spolu s lítiom. A podľa toho sa vyrábajú už nasýtené. Preto pri kúpe batérií na ich základe musíte batériu najskôr nabiť destiláciou časti lítia do anódy.
** Pochopením vývoja lítium-iónových batériových katód ho mimovoľne začnete vnímať ako súboj dvoch gigantov: Johna Goodenougha a Jean-Marie Tarasca. Ak si Goodenough patentoval svoju prvú zásadne úspešnú katódu v roku 1980 (LiCoO 2 ), Dr. Trasko odpovedal o dvanásť rokov neskôr (Mn 2 O 4 ). Druhý zásadný úspech Američana sa uskutočnil v roku 1997 (LiFePO 4 ) a v polovici minulého desaťročia Francúz rozširuje myšlienku zavedením LiFeSO 4 F a pracuje na použití úplne organických elektród.
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K.U.S. Patent 4,302,518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K.U.S. Patent 4,357,215, 1981.
Veda a technológie lítium-iónových batérií. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
Spôsob prípravy interkalačných zlúčenín LiMn204 a ich použitie v sekundárnych lítiových batériách. barbox; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean Marie. Bell Communications Research Inc. 1992 US Patent 5,135,732.

Dobíjateľný elektrochemický článok s katódou zo stechiometrického disulfidu titánu Whittingham; M. Stanley. Patent USA 4,084,046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Lítiové batérie a katódové materiály. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
3,6 V kladná fluorosulfátová vkladacia elektróda na lítium-iónové batérie. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 a J-M. Tarascon. PRÍRODNÝ MATERIÁL November 2009.

Aplikácia

Kapacita katód je opäť definovaná ako maximálny extrahovaný náboj na hmotnosť látky, napríklad skupiny
Li 1-x MO2 +Li + +e - ---> Li x MO2

Napríklad pre Co

pri stupni extrakcie Li x=0,5 bude kapacita látky

Zapnuté tento moment vylepšenia vo výrobnom procese umožnili zvýšiť stupeň extrakcie a dosiahnuť 160 mAh / g
Väčšina práškov na trhu však tieto čísla zďaleka nedosahuje.

organická éra.
Na začiatku recenzie sme uviedli zníženie znečistenia ako jeden z hlavných hnacích faktorov pri prechode na elektrické vozidlá. Ale vezmite si napríklad moderné hybridné auto: určite horí menej paliva, no pri výrobe batérie do nej 1 kWh spáli približne 387 kWh uhľovodíkov. Samozrejme, že takéto auto vypúšťa menej škodlivín, no skleníkovým plynom pri výrobe (70-100 kg CO 2 na 1 kWh) stále neuniká. Navyše v modernej konzumnej spoločnosti sa tovary nepoužívajú, kým sa nevyčerpajú ich zdroje. To znamená, že obdobie na „vrátenie“ tohto energetického úveru je krátke a likvidácia moderných batérií je drahá a nie všade dostupná. Teda energetická účinnosť moderné batérie stále otázne.
Nedávno sa objavilo niekoľko sľubných biotechnológií, ktoré umožňujú syntézu elektród pri izbovej teplote. A. Belcher (vírusy), J.M. Tarasco (použitie baktérií).

Vynikajúcim príkladom takéhoto sľubného biomateriálu je litizovaný oxokarbón - Li 2 C 6 O 6 (radisonát lítny), ktorý so schopnosťou reverzibilne poňať až štyri Li na vzorec vykazoval veľkú gravimetrickú kapacitu, ale keďže redukcia je spojená s pí väzieb, je o niečo menší v -potenciáli (2,4 V). Podobne sa za základ kladnej elektródy považujú iné aromatické kruhy, ktoré tiež vykazujú významné zníženie počtu batérií.
Hlavná "nevýhoda" akéhokoľvek Organické zlúčeniny je ich nízka hustota, keďže celá organická chémia sa zaoberá ľahkými prvkami C, H, O a N. Aby sme pochopili, aký sľubný je tento smer, stačí povedať, že tieto látky sa dajú získať z jabĺk a kukurice a sú tiež ľahko recyklovateľné a recyklovateľné.
Radisonát lítny by sa už považoval za najsľubnejšiu katódu pre automobilový priemysel, ak nie pre obmedzenú prúdovú hustotu (výkon) a najsľubnejšiu pre prenosnú elektroniku, ak nie pre nízku hustotu materiálu (nízka objemová kapacita) (obr. vľavo). Medzitým je to stále len jedna z najsľubnejších oblastí práce Batérie

mobilné zariadenia

Pridať značky

"Kvantová" batéria

Od 26. do 28. februára sa v Tokiu koná Drive Show, na ktorej sa okrem iného predstaví Micronics Japan Co. spol. Málo sa vie o jej predchádzajúcom vývoji, no najnovšie oznámila, že vyvinula a pripravila na výrobu nový typ vrstvenej batérie. Jediný článok zobrazený spoločnosťou je film s kovovo-oxidovo-polovodičovou štruktúrou typu n, ktorý využíva častice oxidu titaničitého, oxidu cíničitého a oxidu zinočnatého potiahnuté izolačným filmom. Prototyp používa list z nehrdzavejúcej ocele Hrúbka 10 mikrónov, ale čoskoro bude nahradená hliníkom.

Kvantoví vývojári pomenovali svoju batériu, aby zdôraznili skôr jej fyzikálnu než chemickú povahu. Aj keď na ukladanie energie využíva elektróny namiesto iónov, táto batéria sa v princípe líši od kondenzátorov. Systém je údajne založený na ukladaní elektrónov v „bandgape“ polovodiča.

Pri výrobe kov-oxid-polovodičových štruktúr sa vrstva náboja akumulátora ožaruje ultrafialovým svetlom. Po výrobe, keď sú nabité, elektróny absorbujú voľnú hladinu energie v pracovnom materiáli a sú tam uložené, kým nie je potrebné vybiť batériu. Výsledkom sú nabíjateľné batérie s veľmi vysokou hustotou akumulácie energie.
Nie je známe, aký výkon majú testovacie vzorky, ale vývojár tvrdí, že výrobné vzorky, ktoré sa objavia v blízkej budúcnosti, budú mať kapacitu až 500 Wh/l a zároveň budú schopné dodať až 8 000 W špičkového výkonu na liter objemu.
Tieto úložiská sa kombinujú Najlepšie vlastnosti batérie a superkondenzátory. Dokonca aj s malou kapacitou budú schopné dodať vysoký špičkový výkon. Napätie odstránené z takýchto pohonov sa pri ich vybíjaní neznižuje, ale zostáva stabilné až do konca.
Deklarovaný rozsah prevádzkových teplôt od -25 do +85 °C. Batériu je možné podrobiť 100 000 cyklom nabitia/vybitia, kým klesne pod 90 % svojej pôvodnej kapacity. Schopnosť rýchlo odoberať a dávať energiu výrazne skráti čas nabíjania. Navyše sú tieto batérie ohňovzdorné. Pri jeho výrobe sa nepoužívajú vzácne alebo drahé materiály. Vo všeobecnosti existuje toľko výhod, že je ťažké uveriť.

Samonabíjacia batéria

Skupina výskumníkov vedená Zhonglinom Wangom (Zhong Lin Wang) z Georgia Institute of Technology (USA) vytvorila samonabíjaciu batériu, ktorá na dobitie nevyžaduje pripojenie k elektrickej zásuvke.
Zariadenie sa nabíja z mechanický náraz, aby som bol presný - z lisovania. Plánuje sa jeho využitie v smartfónoch a iných dotykových zariadeniach.
Vývojári umiestnili svoje zariadenie pod klávesy kalkulačky a vďaka energii zo stláčania tlačidiel dokázali zabezpečiť jeho výkon aj počas dňa.

Batéria je "prednostom" z polyvinylidénfluoridových a zirkonát-titanát-olovnatých fólií s hrúbkou niekoľkých stoviek mikrometrov. Pri stlačení migrujú lítiové ióny z katódy na anódu v dôsledku piezoelektrického efektu. Na zvýšenie účinnosti prototypu vedci pridali do jeho piezoelektrického materiálu nanočastice, ktoré zosilňujú zodpovedajúci efekt a dosiahli výrazné zvýšenie kapacity a rýchlosti dobíjania zariadenia.
Musíte pochopiť, že batéria je nepriehľadná, takže sa zmestí iba pod tlačidlá alebo pod obrazovku.
Batéria nemá také vynikajúce vlastnosti ako vyššie opísané zariadenie (teraz kapacita batérie veľkosti štandardného tabletu pre základné dosky vzrástla z pôvodných 0,004 na 0,010 mAh), ale vývojári sľubujú, že na jej účinnosti popracujú. Výrobné návrhy sú ešte ďaleko, hoci flexibilné obrazovky – hlavné zariadenia, do ktorých vývojári plánujú umiestniť svoju batériu – sa zatiaľ veľmi nepoužívajú. Stále je čas dokončiť svoj vynález a uviesť ho do výroby.

Batéria na báze cukru

Zdá sa, že vývojom batérií sa zaoberajú iba Ázijci. Prototyp ďalšej nezvyčajnej batérie vznikol na americkej Virginia Polytechnic University.

Táto batéria v podstate funguje na cukre, presnejšie na maltodextríne, čo je polysacharid získaný hydrolýzou škrobu. Katalyzátorom v takejto batérii je enzým. Je oveľa lacnejšia ako platina, ktorá sa dnes používa v bežných batériách. Takáto batéria patrí k typu enzýmových palivových článkov. Elektrina sa tu vyrába reakciou kyslíka, vzduchu a vody. Na rozdiel od vodíkových palivových článkov sú enzýmy nehorľavé a nevýbušné. A potom, čo batéria vyčerpala svoje zdroje, podľa vývojárov ju možno doplniť cukrom.
O Technické špecifikácie tohto typu málo sa vie o batériách. Tvrdí sa len, že hustota energie je v nich niekoľkonásobne vyššia ako v bežných lítium-iónových batériách. Náklady na takéto batérie sú výrazne nižšie ako bežné batérie, takže vývojári sú plní dôvery, že pre ne nájdu komerčné využitie v najbližších 3 rokoch. Počkajme si na sľub.

Batéria s granátovou štruktúrou

Vedci z amerického Národného laboratória urýchľovačov SLAC na Stanfordskej univerzite sa však rozhodli zvýšiť objem konvenčných batérií pomocou štruktúry granátu.

Vývojári maximálne zmenšili veľkosť anód a každú z nich umiestnili do uhlíkového obalu. Tým sa zabráni ich zničeniu. Počas procesu nabíjania sa častice rozširujú a spájajú do zhlukov, ktoré sú tiež umiestnené v uhlíkovom obale. V dôsledku takýchto manipulácií je kapacita týchto batérií 10-krát vyššia ako kapacita bežných lítium-iónových batérií.
Z experimentov vyplýva, že po 1000 cykloch nabitia / vybitia si batéria zachová 97 % svojej pôvodnej kapacity.
Je však príliš skoro hovoriť o komerčnom využití tejto technológie. Výroba kremíkových nanočastíc je príliš drahá a proces vytvárania takýchto batérií je príliš komplikovaný.

Atómové batérie

A nakoniec poviem o vývoji Britskí vedci. Svojich kolegov sa rozhodli prekonať vytvorením miniatúrneho jadrového reaktora. Prototyp atómovej batérie na báze trícia, ktorý vytvorili výskumníci z University of Surrey, produkuje dostatok energie na napájanie mobilného telefónu na 20 rokov. Pravda, neskôr sa už nebude dať dobiť.

V batérii, ktorá je integrovaným obvodom, dochádza k jadrovej reakcii, v dôsledku ktorej vzniká 0,8 - 2,4 wattov energie. Pracovná teplota batéria je -50 až +150. Ona sa však nebojí ostré kvapky teplota a tlak.
Vývojári tvrdia, že trícium obsiahnuté v batérii nie je pre človeka nebezpečné, pretože. jej obsahu je veľmi málo. Avšak, o masová výroba Je príliš skoro hovoriť o takýchto zdrojoch energie - vedci majú pred sebou ešte veľa výskumu a testovania.

Záver

Samozrejme, nie všetky vyššie uvedené technológie nájdu svoje uplatnenie, treba si však uvedomiť, že v najbližších rokoch by malo dôjsť k prelomu v technológii výroby batérií, čo bude znamenať prudký nárast šírenia elektromobilov a výroby. smartfónov a iných elektronické zariadenia nový typ.

Predstavte si mobilný telefón, ktorý vydrží nabitý viac ako týždeň a potom sa nabíja za 15 minút. Fantastický? Ale môže sa stať realitou vďaka novej štúdii vedcov z Northwestern University (Evanston, Illinois, USA). Tím inžinierov vyvinul elektródu pre lítium-iónové dobíjacie batérie (ktoré sa dnes používajú vo väčšine mobilných telefónov), ktorá zvýšila ich energetickú kapacitu 10-krát. Toto príjemné prekvapenia bez obmedzenia - nové batériové zariadenia sa môžu nabíjať 10-krát rýchlejšie ako súčasné.

Prekonať uložené obmedzenia existujúcich technológií na energetickú kapacitu a rýchlosť nabíjania batérie vedci použili dva rôzne prístupy chemického inžinierstva. Výsledná batéria nielenže predĺži životnosť malých elektronických zariadení, ako sú telefóny a notebooky, ale tiež pripraví pôdu pre vývoj efektívnejších a kompaktnejších batérií pre elektromobily.

„Našli sme spôsob, ako predĺžiť dobu uchovávania nabitia novej lítium-iónovej batérie 10-krát,“ povedal profesor Harold H. Kung, jeden z hlavných autorov štúdie. „Dokonca aj po 150 nabíjacích/vybíjacích reláciách, čo znamená najmenej rok prevádzky, zostáva päťkrát efektívnejšia ako lítium-iónové batérie na dnešnom trhu.“

Prevádzka lítium-iónovej batérie je založená na chemickej reakcii, pri ktorej sa lítiové ióny pohybujú medzi anódou a katódou umiestnenou na opačných koncoch batérie. Počas prevádzky batérie migrujú lítiové ióny z anódy cez elektrolyt ku katóde. Pri nabíjaní je ich smer nahradený presným opačným. Súčasné batérie majú dve dôležité obmedzenia. Ich energetická kapacita – teda doba udržania nabitia batérie – je obmedzená hustotou nabitia alebo tým, koľko lítiových iónov sa zmestí na anódu alebo katódu. Rýchlosť nabíjania takejto batérie je zároveň obmedzená rýchlosťou, ktorou sú lítiové ióny schopné prejsť cez elektrolyt k anóde.

V dnešných nabíjateľných batériách môže anóda vyrobená z mnohých grafénových plátov obsahovať iba jeden atóm lítia na každých šesť atómov uhlíka (ktoré tvoria grafén). V snahe zvýšiť energetickú kapacitu batérií už vedci experimentovali s nahradením uhlíka kremíkom, ktorý pojme oveľa viac lítia: štyri atómy lítia na každý atóm kremíka. Kremík sa však počas nabíjacieho procesu prudko rozpína ​​a zmršťuje, čo spôsobuje fragmentáciu látky anódy a v dôsledku toho rýchlu stratu nabíjacej kapacity batérie.

V súčasnosti pomalá rychlosť nabíjanie batérie sa vysvetľuje tvarom grafénových plátov: v porovnaní s hrúbkou (čo je len jeden atóm) je ich dĺžka neúmerná. Počas nabíjania musí lítium-ión pokryť vzdialenosť k vonkajším okrajom grafénových listov a potom medzi nimi prejsť a zastaviť sa niekde vo vnútri. Keďže lítiu trvá dlho, kým sa dostane do stredu grafénového listu, pri jeho okrajoch je pozorované niečo ako zaseknutie iónov.

Ako už bolo spomenuté, Kungova výskumná skupina vyriešila oba tieto problémy prijatím dvoch rôznych technológií. Po prvé, aby sa zabezpečila stabilita kremíka a podľa toho sa zachovala maximálna nabíjacia kapacita batérie, umiestnili medzi grafénové listy kremíkové zhluky. To umožnilo zvýšiť počet lítiových iónov v elektróde a súčasne využiť flexibilitu grafénových listov na zohľadnenie zmien v objeme kremíka počas nabíjania/vybíjania batérie.

"Teraz zabijeme obe vtáky jednou ranou," hovorí Kung. „Vďaka kremíku získavame vyššiu hustotu energie a prekladanie vrstiev znižuje stratu výkonu spôsobenú expanziou a kontrakciou kremíka. Dokonca aj pri zničení kremíkových zhlukov samotný kremík nikam nevedie.“

Okrem toho výskumníci použili proces chemickej oxidácie na vytvorenie miniatúrnych (10-20 nanometrov) otvorov v grafénových listoch („defekty v rovine“), ktoré poskytujú lítiovým iónom „rýchly prístup“ do vnútra anódy a následné uloženie v je výsledkom reakcie s kremíkom. Tým sa skrátil čas potrebný na nabitie batérie o faktor 10.

Všetky snahy o optimalizáciu chodu batérií doteraz smerovali k jednej z ich súčastí – anóde. V ďalšej fáze výskumu vedci plánujú študovať zmeny na katóde za rovnakým účelom. Okrem toho chcú vylepšiť systém elektrolytov, aby sa batéria mohla automaticky (a reverzibilne) vypnúť pri vysokých teplotách, čo je ochranný mechanizmus, ktorý by mohol byť užitočný pri použití batérií v elektrických vozidlách.

Podľa vývojárov aktuálna forma Nová technológia by mala vstúpiť na trh v priebehu nasledujúcich troch až piatich rokov. V časopise Advanced Energy Materials vyšiel článok o výsledkoch výskumu a vývoja nových batérií.

Čítanie otázky trudnopisaka :

„Bolo by zaujímavé dozvedieť sa o nových technológiách batérií, ktoré sa pripravujú na sériovú výrobu."

Samozrejme, že kritérium hromadnej výroby je do istej miery rozšíriteľné, ale skúsme teraz zistiť, čo je sľubné.

Tu je to, na čo chemici prišli:

Napätie článku vo voltoch (vertikálne) a špecifická kapacita katódy (mAh/g) nová batéria bezprostredne po jeho výrobe (I), prvom vybití (II) a prvom náboji (III) (ilustrácia Hee Soo Kim a kol./Nature Communications).

Pokiaľ ide o energetický potenciál, batérie založené na kombinácii horčíka a síry sú schopné obísť lítiové. Ale zatiaľ sa nikomu nepodarilo dosiahnuť, aby tieto dve látky v batériovom článku spolupracovali. Teraz sa to s istými výhradami podarilo skupine špecialistov v USA.

Vedci z Toyoty výskumný ústav V Severná Amerika(TRI-NA) pokúsil vyriešiť hlavný problém, stojace v ceste vytvoreniu horčíkovo-sírových batérií (Mg/S).

Upravené z Pacific Northwest National Laboratory.

Nemci vynašli fluoridovo-iónovú batériu

Vedci okrem celej armády elektrochemických zdrojov prúdu vyvinuli ďalšiu možnosť. Jeho výhodami sú menšie nebezpečenstvo požiaru a desaťkrát väčšia špecifická kapacita ako lítium-iónové batérie.

Chemici z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) prišli s koncepciou batérie založenou na fluoridoch kovov a dokonca otestovali niekoľko malých laboratórnych vzoriek.

V takýchto batériách sú anióny fluóru zodpovedné za prenos nábojov medzi elektródami. Anóda a katóda batérie obsahujú kovy, ktoré sa v závislosti od smeru prúdu (nabíjanie alebo vybíjanie) postupne menia na fluoridy alebo sa redukujú späť na kovy.

„Pretože jeden atóm kovu môže prijať alebo darovať viacero elektrónov naraz, tento koncept umožňuje extrémne vysoké hustoty energie – až desaťkrát vyššie ako bežné lítium-iónové batérie,“ hovorí jeden z autorov vývoja Dr. Maximilian Fichtner. (Maximilián Fichtner).

Na otestovanie myšlienky vytvorili nemeckí výskumníci niekoľko vzoriek takýchto batérií s priemerom 7 milimetrov a hrúbkou 1 mm. Autori študovali niekoľko elektródových materiálov (napríklad meď a bizmut v kombinácii s uhlíkom) a vytvorili elektrolyt na báze lantánu a bária.

Takýto pevný elektrolyt je však len medzistupňom. Táto kompozícia, ktorá vedie fluórové ióny, funguje dobre len vtedy vysoká teplota. Preto zaň chemici hľadajú náhradu – tekutý elektrolyt, ktorý by fungoval pri izbovej teplote.

(Podrobnosti nájdete v tlačovej správe ústavu a článku v časopise Journal of Materials Chemistry.)

Batérie budúcnosti

Čo čaká trh s batériami v budúcnosti, je zatiaľ ťažké predpovedať. Lítiové batérie stále kraľujú a majú dobrý potenciál vďaka vývoju lítiových polymérov. Zavedenie strieborno-zinkových prvkov je veľmi dlhý a nákladný proces a jeho účelnosť je stále diskutabilnou otázkou. Technológie palivových článkov a nanorúriek boli chválené a popisované tými najkrajšími slovami už mnoho rokov, ale keď príde na prax, skutočné produkty sú buď príliš objemné, alebo príliš drahé, prípadne oboje. Jasné je len jedno – v nasledujúcich rokoch sa bude toto odvetvie naďalej aktívne rozvíjať, pretože obľuba prenosných zariadení míľovými krokmi rastie.

Súbežne s notebookmi zameranými na offline prácu, sa vyvíja smer desktopových notebookov, v ktorých batéria plní skôr úlohu záložného UPS. Nedávno spoločnosť Samsung vydala podobný prenosný počítač bez batérie.

IN NiCd-akumulátory majú aj možnosť elektrolýzy. Aby sa v nich nehromadil výbušný vodík, sú batérie vybavené mikroskopickými ventilmi.

v renomovanom inštitúte MIT bol nedávno vyvinutý unikátna technológia výroby lítiové batérieúsilím špeciálne vyškolených vírusov.

Hoci palivový článok Navonok je úplne odlišná od tradičnej batérie, funguje na rovnakých princípoch.

A kto vám ešte prezradí nejaké sľubné smery?

Pred viac ako 200 rokmi vytvoril nemecký fyzik Wilhelm Ritter prvú batériu na svete. V porovnaní s už existujúcou batériou A. Voltu bolo možné Wilhelmov zásobník opakovane nabíjať a vybíjať. V priebehu dvoch storočí sa batéria elektriny veľa zmenila, ale na rozdiel od "kolesa" sa stále vynájde dodnes. Dnes sú nové technológie pri výrobe batérií diktované príchodom najnovšie zariadenia potrebujú nezávislé napájanie. Nové a výkonnejšie prístroje, elektromobily, lietajúce drony – všetky tieto zariadenia vyžadujú menšie, ľahšie, no priestrannejšie a odolnejšie batérie.

Základnú štruktúru batérie možno opísať v skratke - sú to elektródy a elektrolyt. Charakteristiky batérie a jej typ sa určujú od materiálu elektród a zloženia elektrolytu. V súčasnosti existuje viac ako 33 typov dobíjacích zdrojov, ale najpoužívanejšie sú:

• olovená kyselina;
• nikel-kadmium;
• nikel-metal hydrid;
• lítium-ión;
• lítiový polymér;
• nikel-zinok.

Práca ktorejkoľvek z nich je reverzibilná chemická reakcia, to znamená, že reakcia, ku ktorej dochádza pri vybíjaní, sa obnoví pri nabíjaní.

Oblasť použitia batérií je pomerne široká a v závislosti od typu zariadenia, ktoré z nej pracuje, sú na batériu kladené určité požiadavky. Napríklad pre gadgety by mala byť ľahká, minimálne veľká a mala by mať dostatok veľká kapacita. Pre elektrické náradie alebo lietajúci dron je dôležitý spätný ráz, keďže spotreba elektrický prúd dosť vysoko. Zároveň existujú požiadavky, ktoré sa vzťahujú na všetky batérie - ide o vysokú kapacitu a zdroj nabíjacích cyklov.

Tejto problematike sa venujú vedci z celého sveta, prebieha množstvo výskumov a testovaní. Bohužiaľ, mnohé návrhy, ktoré vykazovali vynikajúce elektrické a prevádzkové výsledky, sa ukázali ako príliš drahé a neboli spustené masová výroba. S technickú stránku, najlepšie materiály striebro a zlato sa používajú na výrobu batérií a z ekonomického hľadiska bude cena takéhoto produktu pre spotrebiteľa nedostupná. Hľadanie nových riešení zároveň neustáva a prvým významným prelomom bola lítium-iónová batéria.

Prvýkrát bol predstavený v roku 1991 japonská spoločnosť Sony. Batéria sa vyznačovala vysokou hustotou a nízkym samovybíjaním. Mala však nedostatky.

Prvá generácia takýchto napájacích zdrojov bola výbušná. Časom sa na anóde nahromadili dendrity, čo viedlo ku skratu a požiaru. V procese zlepšovania v ďalšej generácii bola použitá grafitová anóda a tento nedostatok bol odstránený.

Druhou nevýhodou bol pamäťový efekt. Pri neustálom neúplnom nabíjaní batéria strácala kapacitu. Doplnili sa práce na odstránení tohto nedostatku nový trend túžba po miniaturizácii. Túžba vytvoriť ultratenké smartfóny, ultrabooky a ďalšie zariadenia si vyžadovala vedu, aby vyvinula nový zdroj energie. Navyše už zastaraná lítium-iónová batéria neuspokojovala potreby modelárov, ktorí potrebovali nový zdroj elektriny s oveľa vyššou hustotou a vysokým výstupným prúdom.

V dôsledku toho bol v lítium-iónovom modeli použitý polymérny elektrolyt a účinok prekonal všetky očakávania.

Vylepšený model bol nielen bez pamäťového efektu, ale aj niekoľkonásobne lepší ako jeho predchodca vo všetkých smeroch. Prvýkrát sa podarilo vytvoriť batériu s hrúbkou iba 1 mm. Jeho formát by zároveň mohol byť najrozmanitejší. Takéto batérie začali byť okamžite veľmi žiadané medzi modelármi aj výrobcami mobilných telefónov.

Stále však existovali nedostatky. Ukázalo sa, že prvok predstavuje nebezpečenstvo požiaru, počas nabíjania sa zahrial a mohol sa vznietiť. Moderné polymérové ​​batérie sú vybavené vstavaným obvodom, ktorý zabraňuje prebíjaniu. Odporúča sa tiež nabíjať ich iba špeciálnymi nabíjačky dodávané alebo podobné modely.

Nie menej ako dôležitá charakteristika batéria - náklady. Dnes je to najviac veľký problém na ceste vývoja batérií.

Výkon elektrického vozidla

Tesla Motors vyrába batérie pomocou nových technológií založených na komponentoch ochranná známka Panasonic. Nakoniec tajomstvo nie je odhalené, ale výsledok testu poteší. Ekomobil Model Tesla S, vybavený iba 85 kWh batériou, prešiel na jedno nabitie niečo vyše 400 km. Svet samozrejme nie je bez zvedavcov, takže jedna z týchto batérií v hodnote 45 000 USD bola napriek tomu otvorená.

Vo vnútri bolo veľa lítium-iónových článkov Panasonic. Pitva zároveň nedala všetky odpovede, ktoré by som chcel dostať.

Budúce technológie

Napriek tomu dlhé obdobie stagnácia, veda je na pokraji veľkého prelomu. Je dosť možné, že zajtra bude mobil fungovať mesiac bez dobitia a elektromobil prejde na jedno nabitie 800 km.

Nanotechnológie

Vedci z University of Southern California tvrdia, že výmena grafitových anód za kremíkové drôty s priemerom 100 nm zvýši kapacitu batérie 3-krát a skráti čas nabíjania na 10 minút.

Stanfordská univerzita zásadne navrhla nový druh anódy. Porézne uhlíkové nanodrôty potiahnuté sírou. Podľa nich takýto zdroj energie akumuluje 4-5 krát viac elektriny ako Li-ion batéria.

Uviedol to americký vedec David Kizaylus nabíjateľné batérie na báze magnetitových kryštálov bude nielen priestrannejšia, ale aj relatívne lacná. Koniec koncov, tieto kryštály sa dajú získať zo zubov mäkkýšov.

Vedci z Washingtonskej univerzity sa na veci pozerajú praktickejšie. Patentovali už nové technológie batérií, ktoré namiesto grafitovej elektródy využívajú cínovú anódu. Všetko ostatné sa nezmení a nové batérie ľahko nahradia tie staré v našich známych vychytávkach.

Revolúcia dnes

Opäť elektromobily. Zatiaľ sú stále nižšie ako autá, pokiaľ ide o výkon a počet najazdených kilometrov, ale to nie je dlho. Tak hovoria zástupcovia korporácie IBM, ktorí navrhli koncept lítium-vzduchových batérií. Okrem toho sa tento rok sľubuje predstavenie nového napájacieho zdroja, ktorý je vo všetkých ohľadoch lepší.