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 kjører på elektrisitet eller på batterier. Vår avhengighet av batteridrevne gadgets og enheter vokser fenomenalt. EN batteri er en enhet som lagrer kjemisk energi som blir omdannet til elektrisitet. Batterier er som små kjemiske reaktorer som reagerer og produserer elektroner fulle av energi som strømmer gjennom den eksterne enheten. Enten mobiltelefoner eller bærbare datamaskiner eller andre elektriske kjøretøyer, batterier – vanligvis litium-ion – er hovedstrømkilden for disse teknologiene. Ettersom 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 kommer de i en rekke størrelser fra store megawatt-størrelser, så i teorien kan de lagre strøm fra solfarmer og lyse opp minibyer, eller de kan være like små som de som brukes i elektroniske klokker , fantastisk er det ikke. I et det som kalles et primærbatteri, er reaksjonen som produserer strømmen av elektroner irreversibel, og til slutt når en av reaktantene er oppbrukt, 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 var å finne en metode der de kunne gjenbrukes – det vil si ved å gjøre dem oppladbare. Utskifting av batterier med nye var åpenbart upraktisk og dermed ble batteriene flere kraftig og stort ble det nesten umulig for ikke å nevne ganske dyrt å erstatte dem og kaste 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.
Lithium-ion-batterier (LIB) ble oppfunnet i 1980 og er de mest brukte batteriene i forbrukere elektronisk enheter i dag. Litium er et av de letteste grunnstoffene og det har et av de største elektrokjemiske potensialene, derfor er denne kombinasjonen ideell for å lage batterier. I LIB-er beveger litiumioner seg mellom forskjellige elektroder gjennom en elektrolytt som er laget av salt og organisk løsemidler (i de fleste tradisjonelle LIB-er). Teoretisk sett er litiummetall det mest elektrisk positive metallet med svært høy kapasitet og er det best mulige valget for batterier. Når LIB-er ikke lades opp, blir det positivt ladede litiumionet til litiummetall. Derfor er LIB-er mest populære oppladbare batterier 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, og forårsake kortslutning i batteriet, og dette kan være en brannfare. I praksis er LIB-er virkelig ustabile og ineffektive ettersom litiumdisposisjonene over tid blir uensartede. LIB-er har også lave lade- og utladningshastigheter og sikkerhetshensyn gjør dem ulevedyktige for mange maskiner med høy effekt og høy kapasitet, for eksempel elektriske og hybride elektriske kjøretøyer. LIB har blitt rapportert å vise god kapasitet og retensjonsrater 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, forskere har vist at et batteris sikkerhet og til og med mange andre egenskaper kan forbedres ved å legge til nanotråder til det, noe som gjør batteriet overlegent. Dette teamet av forskere fra College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Kina har bygget på sin tidligere forskning der de laget magnesiumborat nanotråder som viste gode mekaniske egenskaper og ledningsevne. I den aktuelle studien sjekket de om dette også ville være sant for batterier når slike nanotråder tilsettes til en faststoffpolymerelektrolytt. Faststoffelektrolytt ble blandet med 5, 10, 15 og 20 vekter av magnesiumborat nanotråder. Det ble sett at nanotrådene økte ledningsevnen til solid-state polymer elektrolytten som gjorde batteriene mer solide og spenstige sammenlignet med tidligere uten nanotråder. Denne økningen i konduktivitet skyldtes økningen i antall ioner som passerer og beveger seg gjennom elektrolytten og med en mye raskere hastighet. Hele oppsettet var som et batteri, men med ekstra nanotråder. Dette viste en høyere ytelse og økte sykluser sammenlignet med vanlige batterier. Det ble også utført en viktig test av brennbarhet og man så at batteriet ikke brant. De mye brukte bærbare applikasjonene i dag 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 ettersom større bruksområder for batterier er designet og prøvd ut, er sikkerhet, holdbarhet og kraft overordnet viktig.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire-aktiverte multifunksjonelle solid-state elektrolytter med høy ionisk ledningsevne, utmerkede mekaniske egenskaper og flammehemmende ytelse. Nanobokstaver. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
