Studie har oppdaget en måte å lage batterier som vi bruker hver dag for å være mer robuste, kraftige og trygge.
Året er 2018, og hverdagen vår er nå drevet av forskjellige dingser som enten går på strøm eller batterier. Vår avhengighet av batteridrevne dingser og enheter vokser fenomenalt. Et batteri er en enhet som lagrer kjemisk energi som omdannes til elektrisitet. Batterier er som mini-kjemiske reaktorer med reaksjonsproduserende elektroner fulle av energi som strømmer gjennom den eksterne enheten. Enten det er mobiltelefoner, bærbare datamaskiner eller andre elektriske kjøretøy, er batterier – vanligvis litiumion – den viktigste strømkilden for disse teknologiene. Etter hvert som teknologien fortsetter å utvikle seg, er det kontinuerlig etterspørsel etter mer kompakte, høykapasitets og trygge oppladbare batterier.
Batterier har en lang og strålende historie. Den amerikanske vitenskapsmannen Benjamin Franklin brukte først begrepet "batteri" i 1749 mens han utførte eksperimenter med elektrisitet ved å bruke et sett med koblede kondensatorer. Den italienske fysikeren Alessandro Volta oppfant det første batteriet i 1800 da skiver av kobber (Cu) og sink (Zn) ble skilt fra hverandre med klut dynket i saltvann. Blysyrebatteriet, et av de mest holdbare og eldste oppladbare batteriene, ble oppfunnet i 1859 og brukes fortsatt i mange enheter selv i dag, inkludert forbrenningsmotorer i kjøretøy.
Batterier har kommet langt, og i dag finnes de i en rekke størrelser, fra store megawatt-størrelser, så i teorien kan de lagre strøm fra solcelleparker og lyse opp minibyer, eller de kan være så små som de som brukes i elektroniske klokker, fantastisk, ikke sant? I et det som kalles et primærbatteri er reaksjonen som produserer strømmen av elektroner irreversibel, og til slutt når en av reaktantene forbrukes, blir batteriet flatt eller dør. Det vanligste primærbatteriet er sink-karbonbatteriet. Disse primærbatteriene var et stort problem, og den eneste måten å håndtere avhending av slike batterier på var å finne en metode der de kunne gjenbrukes – det vil si ved å gjøre dem oppladbare. Å bytte ut batterier med nye var åpenbart upraktisk, og etter hvert som batteriene ble kraftigere og større, ble det nesten umulig, for ikke å nevne ganske dyrt, å erstatte dem og avhende dem.
Nikkel-kadmium-batteri (NiCd) var de første populære oppladbare batteriene som brukte alkali som elektrolytt. I 1989 ble nikkel-metall-hydrogenbatterier (NiMH) utviklet med lengre levetid enn NiCd-batterier. Imidlertid hadde de noen ulemper, hovedsakelig at de var veldig følsomme for overlading og overoppheting, spesielt når de ble ladet, si til maksimal rate. Derfor måtte de lades sakte og forsiktig for å unngå skade og krevde lengre tid for å bli ladet med enklere ladere.
Litiumionbatterier (LIB-er) ble oppfunnet i 1980 og er de mest brukte batteriene i forbrukerelektronikk i dag. Litium er et av de letteste elementene og har et av de største elektrokjemiske potensialene. Derfor er denne kombinasjonen ideelt egnet for å lage batterier. I LIB-er beveger litiumioner seg mellom forskjellige elektroder gjennom en elektrolytt som er laget av salt og organiske løsemidler (i de fleste tradisjonelle LIB-er). Teoretisk sett er litiummetall det mest elektrisk positive metallet med svært høy kapasitet og er det beste mulige valget for batterier. Når LIB-er lades opp, blir det positivt ladede litiumionet til litiummetall. Dermed er LIB-er de mest populære oppladbare batteriene for bruk i alle typer bærbare enheter på grunn av deres lange levetid og høye kapasitet. Et stort problem er imidlertid at elektrolytten lett kan fordampe, noe som forårsaker kortslutning i batteriet, og dette kan være en brannfare. I praksis er LIB-er svært ustabile og ineffektive, ettersom litiumfordelingen over tid blir ujevn. LIB-er har også lave lade- og utladningshastigheter, og sikkerhetshensyn gjør dem ubrukelige for mange maskiner med høy effekt og høy kapasitet, for eksempel elektriske og hybridelektriske kjøretøy. Det er rapportert at LIB-er viser god kapasitet og retensjonshastigheter i svært sjeldne tilfeller.
Dermed er ikke alt perfekt i batteriverdenen, ettersom mange batterier de siste årene har blitt merket som usikre fordi de tar fyr, er upålitelige og noen ganger ineffektive. Forskere over hele verden er på jakt etter å bygge batterier som vil være små, trygt oppladbare, lettere, mer spenstige og samtidig kraftigere. Derfor har fokus flyttet til faststoffelektrolytter som det potensielle alternativet. Å beholde dette som målet har mange alternativer blitt prøvd av forskere, men stabilitet og skalerbarhet har vært et hinder for de fleste studiene. Polymerelektrolytter har vist stort potensial fordi de ikke bare er stabile, men også fleksible og også rimelige. Dessverre er hovedproblemet med slike polymerelektrolytter deres dårlige ledningsevne og mekaniske egenskaper.
I en fersk studie publisert i ACS Nano Letters har forskere vist at et batteris sikkerhet og til og med mange andre egenskaper kan forbedres ved å legge til nanotråder, noe som gjør batteriet overlegent. Dette forskerteamet fra College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Kina, har bygget videre på sin tidligere forskning der de laget magnesiumborat-nanotråder som viste gode mekaniske egenskaper og konduktivitet. I den nåværende studien sjekket de om dette også ville gjelde for batterier når slike nanotråder tilsettes en faststoffpolymerelektrolytt. Faststoffelektrolytt ble blandet med 5, 10, 15 og 20 vektprosent magnesiumborat-nanotråder. Det ble observert at nanotrådene økte konduktiviteten til faststoffpolymerelektrolytten, noe som gjorde batteriene mer robuste og motstandsdyktige sammenlignet med tidligere uten nanotråder. Denne økningen i konduktivitet skyldtes økningen i antall ioner som passerte og beveget seg gjennom elektrolytten, og i en mye raskere hastighet. Hele oppsettet var som et batteri, men med tilsatte nanotråder. Dette viste en høyere ytelsesrate og økte sykluser sammenlignet med vanlige batterier. En viktig test av brennbarhet ble også utført, og det ble observert at batteriet ikke brant. Dagens mye brukte bærbare applikasjoner, som mobiltelefoner og bærbare datamaskiner, må oppgraderes med maksimal og mest kompakt lagret energi. Dette øker åpenbart risikoen for voldsom utladning, og det er håndterbart for slike enheter på grunn av det lille batteriformatet som trengs. Men etter hvert som større batteriapplikasjoner designes og prøves ut, blir sikkerhet, holdbarhet og effekt av største betydning.
***
Source (s)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 nanowire-aktiverte multifunksjonelle faststoffelektrolytter med høy ionisk konduktivitet, utmerkede mekaniske egenskaper og flammehemmende ytelse. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
***
