Kujutage ette mobiiltelefoni, mis hoiab laadimist üle nädala ja laeb seejärel 15 minutiga. Fantaasia? Kuid see võib saada reaalsuseks tänu Northwesterni ülikooli (Evanston, Illinois, USA) teadlaste uuele uuringule. Inseneride meeskond töötas välja elektroodi liitiumioonakude jaoks (mida tänapäeval kasutatakse enamikus mobiiltelefonides), mis suurendas nende energiamahtu 10 korda. Meeldivad üllatused sellega ei piirdu – uued akuseadmed suudavad laadida 10 korda kiiremini kui praegused.

Olemasolevate tehnoloogiate poolt aku energiamahule ja laadimiskiirusele seatud piirangute ületamiseks rakendasid teadlased kahte erinevat keemiatehnoloogia lähenemisviisi. Saadud aku ei pikenda mitte ainult väikeste elektroonikaseadmete, nagu telefonid ja sülearvutid, eluiga, vaid sillutab teed ka tõhusamate ja kompaktsemate akude arendamisele elektrisõidukite jaoks.

"Oleme leidnud viisi, kuidas pikendada uue liitiumioonaku laengu säilivusaega 10 korda," ütles üks uuringu juhtivatest autoreist professor Harold H. Kung. "Isegi pärast 150 laadimis-/tühjenemiskorda, mis tähendab vähemalt aastast töötamist, on see viis korda tõhusam kui tänapäeval turul olevad liitiumioonakud."

Liitiumioonaku töö põhineb keemilisel reaktsioonil, mille käigus liitiumioonid liiguvad aku vastasotstes paikneva anoodi ja katoodi vahel. Aku töötamise ajal migreeruvad liitiumioonid anoodilt läbi elektrolüüdi katoodile. Laadimisel asendub nende suund täpselt vastupidisega. Praegustel akudel on kaks olulist piirangut. Nende energiamahtuvust – see tähendab aku laengu säilivusaega – piirab laengu tihedus ehk see, kui palju liitiumiioone anoodile või katoodile mahub. Samal ajal piirab sellise aku laadimiskiirust kiirus, millega liitiumioonid on võimelised liikuma läbi elektrolüüdi anoodile.

Tänapäeva laetavates akudes võib paljudest grafeenilehtedest valmistatud anoodil olla ainult üks liitiumiaatom iga kuue süsinikuaatomi kohta (mis moodustavad grafeeni). Püüdes suurendada akude energiamahtuvust, on teadlased juba katsetanud süsiniku asendamist räniga, mis mahutab palju rohkem liitiumi: iga räni aatomi kohta neli liitiumiaatomit. Räni aga paisub ja tõmbub laadimise käigus järsult kokku, mis põhjustab anoodaine killustumist ja selle tulemusena aku laadimisvõime kiiret kaotust.

Praegu seletatakse aku madalat laadimiskiirust grafeenilehtede kujuga: võrreldes paksusega (mis on ainult üks aatom) on nende pikkus üle jõu käiv. Laadimise ajal peab liitiumioon katma kauguse grafeenilehtede välisservadeni ning seejärel läbima nende vahelt ja peatuma kuskil sees. Kuna liitiumil kulub grafeenilehe keskele jõudmiseks palju aega, on selle servade lähedal näha midagi iooniummistuse sarnast.

Nagu juba mainitud, lahendas Kungi uurimisrühm mõlemad need probleemid, võttes kasutusele kaks erinevat tehnoloogiat. Esiteks, et tagada räni stabiilsus ja seeläbi säilitada aku maksimaalne laadimisvõime, paigutasid nad räni klastrid grafeenilehtede vahele. See võimaldas suurendada liitiumioonide arvu elektroodis, kasutades samal ajal grafeenilehtede paindlikkust, et võtta arvesse räni mahu muutusi aku laadimise/tühjenemise ajal.

"Nüüd tapame mõlemad linnud ühe hoobiga," ütleb Kung. „Tänu ränile saame suurema energiatiheduse ning kihtide põimimine vähendab räni kokkutõmbumisel paisumisest tekkivat võimsuskadu. Isegi räniklastrite hävitamisega ei kao räni ise kuhugi.

Lisaks kasutasid teadlased keemilist oksüdatsiooniprotsessi, et luua grafeenilehtedesse miniatuursed (10-20 nanomeetrised) augud ("tasapinnalised defektid"), mis tagavad liitiumioonidele "kiire juurdepääsu" anoodi sisemusse ja seejärel hoiustamiseks. see on räniga reaktsiooni tulemusena. See vähendas aku laadimiseks kuluvat aega 10 korda.

Seni on kõik jõupingutused akude töö optimeerimiseks suunatud ühele nende komponendile – anoodile. Uurimise järgmises etapis kavatsevad teadlased samal eesmärgil uurida katoodi muutusi. Lisaks soovivad nad täiustada elektrolüütide süsteemi nii, et aku saaks kõrgel temperatuuril automaatselt (ja pöörduvalt) välja lülituda. See kaitsemehhanism võib olla kasulik, kui akusid kasutatakse elektrisõidukites.

Arendajate hinnangul peaks uus tehnoloogia praegusel kujul turule jõudma järgmise kolme-viie aasta jooksul. Ajakirjas Advanced Energy Materials avaldati artikkel uute akude uurimis- ja arendustöö tulemustest.

1990. aastate alguses tehti liitiumioonenergiasalvestite leiutamisega suur samm akutehnoloogias. See võimaldas meil näha nutitelefone ja isegi elektriautosid sellisel kujul, nagu nad praegu eksisteerivad, kuid sellest ajast peale pole selles vallas midagi tõsist leiutatud, elektroonikas kasutatakse seda tüüpi siiani.

Kunagi olid suurendatud võimsusega ja “mäluefekti” puudumisega liitium-ioonakud tõepoolest tehnoloogia läbimurre, kuid nüüd ei suuda nad enam suurenenud koormusega toime tulla. Üha rohkem on nutitelefone, millel on uued kasulikud funktsioonid, mis kokkuvõttes suurendavad aku koormust. Samas on selliste akudega elektrisõidukid endiselt liiga kallid ja ebaefektiivsed.

Selleks, et nutitelefonid töötaksid pikka aega ja jääksid väikeseks, on vaja uusi akusid.

Vedelate elektroodidega akud

Üks huvitav katse traditsiooniliste akude probleemide lahendamiseks on vedela elektrolüüdiga "voolu" akude väljatöötamine. Selliste akude tööpõhimõte põhineb kahe laetud vedeliku koostoimel, mida juhivad pumpad läbi elemendi, kus tekib elektrivool. Selles rakus olevad vedelikud ei segune, vaid neid eraldab membraan, millest laetud osakesed läbivad, nagu tavalises akus.

Akut saab laadida tavapärasel viisil või täita uue, laetud elektrolüüdiga, sel juhul võtab protseduur aega vaid paar minutit, nagu bensiini kallamine bensiinipaaki. See meetod sobib eelkõige autole, kuid kasulik ka elektroonikale.

Naatriumpatareid

Liitium-ioonakude peamised puudused on materjalide kõrge hind, suhteliselt väike tühjenemis-laadimistsüklite arv ja tuleoht. Seetõttu on teadlased püüdnud seda tehnoloogiat pikka aega täiustada.

Saksamaal käib töö naatriumakude kallal, mis peaksid muutuma vastupidavamaks, odavamaks ja mahukamaks. Uue aku elektroodid pannakse kokku erinevatest kihtidest, mis võimaldab akut kiiresti laadida. Praegu on käimas töökindlama elektroodidisaini otsingud, misjärel saab järeldada, kas see tehnoloogia läheb tootmisse või on mõni muu arendus parem.

Liitiumväävelakud

Teine uus arendus on liitium-väävelakud. Nendes akudes on kavas kasutada väävelkatoodi, mis tähendab aku maksumuse olulist vähenemist. Need akud on juba kõrgel valmisolekus ja võivad peagi minna masstootmisse.

Teoreetiliselt võivad liitium-väävelakud saavutada suurema energiatiheduse kui liitium-ioon, mis on juba jõudnud oma piirini. On väga oluline, et liitium-väävelakusid saaks täielikult tühjendada ja täielikult tühjana säilitada lõputult ilma mäluefektita. Väävel on nafta rafineerimise kõrvalsaadus, uued akud ei sisalda raskemetalle (nikkel ja koobalt), akude uus koostis on keskkonnasõbralikum ja akusid on lihtsam utiliseerida.

Peagi saab teada, milline tehnoloogia on kõige lootustandvam ja vahetab välja vananenud liitiumioonakud.

Seniks aga pakume tutvust populaarse elukutsega.

Kaasaegsete liitiumioonakude erienergia intensiivsus ulatub 200 W*h/kg-ni. Keskmiselt piisab sellest ilma laadimiseta vaid 150 kilomeetriks, mida ei saa võrrelda tavalise sisepõlemismootoriga autode ühe tankla läbisõiduga. Selleks, et elektrisõidukid muutuksid peavooluks, peab neil olema võrreldav läbisõit. Selleks peate akude erienergia intensiivsuse viima vähemalt 350-400 W * h / kg. Allpool kirjeldatud paljutõotavad akude tüübid suudavad seda pakkuda, kuigi igal juhul on "aga".

Liitium-väävelakud eristuvad suure erivõimsusega, mis on tingitud asjaolust, et keemilise reaktsiooni käigus loovutab iga molekul mitte ühe, vaid kaks vaba elektroni. Nende teoreetiline erienergia on 2600 W*h/kg. Lisaks on sellised akud oluliselt odavamad ja ohutumad kui liitiumioonakud.

Põhiline Li-S aku koosneb liitiumanoodist, väävel-süsinikkatoodist ja elektrolüüdist, mida läbivad liitiumioonid. Tühjenemise ajal toimub keemiline reaktsioon, mille käigus anoodi liitium muundatakse liitiumsulfiidiks, mis sadestub katoodile. Aku pinge on sõltuvalt aku tühjenemisest vahemikus 1,7–2,5 V. Reaktsiooni käigus moodustunud liitiumpolüsulfiidid mõjutavad aku pinget.

Aku keemilisel reaktsioonil on mitmeid negatiivseid kõrvalmõjusid. Kui katoodi väävel neelab elektrolüüdist liitiumioonid, tekib liitiumsulfiid Li 2 S, mis sadestub katoodile. Samal ajal suureneb selle maht 76%. Laadimisel toimub pöördreaktsioon, mis viib katoodi suuruse vähenemiseni. Selle tulemusena kogeb katood märkimisväärseid mehaanilisi ülekoormusi, mis põhjustab selle kahjustusi ja kontakti katkemise voolukollektoriga. Lisaks halvendab Li 2 S elektrilist kontakti katoodis väävli ja süsiniku vahel (tee, mida mööda elektronid liiguvad) ja takistab liitiumioonide voolu väävli pinnale.

Teine probleem on seotud sellega, et väävli ja liitiumi vahelise reaktsiooni käigus ei teki Li 2 S mitte kohe, vaid rea muundumiste käigus, mille käigus tekivad polüsulfiidid (Li 2 S 8, Li 2 S 6 jne). . Kuid kui väävel ja Li 2 S on elektrolüüdis lahustumatud, siis polüsulfiidid, vastupidi, lahustuvad. See toob kaasa väävlisisalduse järkjärgulise vähenemise katoodil. Teine probleem on kareduse ilmnemine liitiumanoodi pinnal suurte tühjendus- ja laadimisvoolude läbimisel. Kõik see kokku viis selleni, et selline aku ei pidanud vastu rohkem kui 50–60 tühjenemis-laadimistsüklit ja muutis selle praktiliseks kasutamiseks sobimatuks.

Ameeriklaste viimased arengud aga riiklikust laborist. Lawrence'il Berkeleys lubati need puudused ületada. Nad lõid nanokomposiitmaterjalist (grafeen ja vääveloksiid) ainulaadse katoodi, mille terviklikkust hoiab elastne polümeerkate. Seetõttu ei põhjusta katoodi suuruse muutumine tühjenemise-laengu ajal selle hävimist. Väävli kaitsmiseks lahustumise eest kasutatakse pindaktiivset ainet (pindaktiivset ainet). Kuna pindaktiivne aine on katioonne (st väävlikihi pinnale tõmbab), ei takista see liitiumianioonidel väävliga reageerimast, kuid ei lase tekkivatel polüsulfiididel elektrolüüdis lahustuda, hoides neid oma kihi all. Samuti on välja töötatud uus ioonsel vedelikul põhinev elektrolüüt, milles polüsulfiidid ei lahustu. Ioonne vedelik on ka palju ohutum - see ei põle ega peaaegu aurustu.

Kõigi kirjeldatud uuenduste tulemusena paraneb aku jõudlus oluliselt. Selle esialgne erienergia on 500 Wh/kg, mis on enam kui kaks korda suurem liitiumioonakude omast. Pärast 1500 20-tunnist tühjenemis-laadimistsüklit (C = 0,05) vähenes selle erienergia värske liitiumioonaku tasemeni. Pärast 1500 1-tunnist tsüklit (C=1) oli langus 40-50%, kuid aku oli endiselt töökorras. Kui akut testiti suure võimsusega, allutati 10-minutilisele tühjenemis-laadimistsüklile (C=6), siis isegi pärast 150 sellist tsüklit ületas selle erienergia värske liitiumioonaku oma.

Sellise Li-S aku hinnanguline hind ei ületa 100 dollarit iga võimsusega kWh kohta. Paljusid Berkeley uurimisrühma pakutud uuendusi saaks kasutada olemasolevate liitiumioonakude täiustamiseks. Praktilise LiS-aku disaini loomiseks otsivad arendajad partnereid, kes rahastavad selle lõplikku peenhäälestamist.

Liitium-titanaadi patareid

Kaasaegsete liitiumioonakude suurimaks probleemiks on madal kasutegur, mis tuleneb eelkõige sellest, et energiat salvestavad materjalid võtavad enda alla vaid 25% aku mahust. Ülejäänud 75% on inertsed materjalid: korpus, juhtivad kiled, liimid jne. Seetõttu on kaasaegsed akud liiga mahukad ja kallid. Uus tehnoloogia hõlmab "kasutute" materjalide märkimisväärset vähendamist aku ehitamisel.

Viimased liitium-titanaat akud on aidanud üle saada veel ühest liitium-ioonakude puudusest – nende haprusest ja laadimisajast. Uurimistöö käigus selgus, et suure vooluga laadimisel on liitiumioonid sunnitud "tõmbuma" grafiidist mikroplaatide vahele, hävitades seeläbi järk-järgult elektroode. Seetõttu asendati elektroodides olev grafiit liitiumtitanaadi nanoosakeste struktuuridega. Need ei sega ioonide liikumist, mis lõppkokkuvõttes tõi kaasa fantastilise kasutusea pikenemise – rohkem kui 15 000 tsüklit 12 aasta jooksul! Laadimisaeg 6-8 tundi väheneb 10-15 minutini. Täiendavad eelised on termiline stabiilsus ja väiksem toksilisus.

Ekspertide sõnul on uute akude energiatihedus kaks korda suurem kui tänapäevaste liitium-ioonakude oma. Seega on elektrisõiduki konstantse sõiduulatuse korral selle aku kergem ja sama massi korral suureneb sõiduulatus oluliselt. Kui on võimalik uus aku seeriana turule tuua, siis kompaktsete elektrisõidukite (mida ei saa varustada suure raske akuga) sõiduulatus kasvab ühe laadimisega keskmiselt 150 km-lt 300 km-ni. Samal ajal on uued akud poole odavamad kui praegused - ainult 250 dollarit kW / h kohta.

Liitium-õhkpatareid

Tehnoloogia areneb ja teadlased töötavad juba liitium-õhk (LiO 2 ) aku praktilise disaini kallal. Selle teoreetiline energiamaht on 8-10 korda suurem kui liitiumioonil. Aku kaalu vähendamiseks, säilitades või isegi suurendades selle mahutavust, pakkusid teadlased välja radikaalse lahenduse - traditsioonilise katoodi tagasilükkamise: liitium interakteerub otse õhu hapnikuga. Tänu katalüütilisele õhkkatoodile peaks see mitte ainult suurendama aku energiamahtu, vaid ka vähendama selle mahtu ja kaalu peaaegu sama palju.

Masstootmiseks nõuab liitium-õhktehnoloogia paljude tehniliste ja teaduslike probleemide lahendamist, sealhulgas tõhusa katalüsaatori, liitiumanood ja stabiilse tahke elektrolüüdi loomist, mis on võimeline töötama madalatel temperatuuridel (kuni -50C). Lisaks on vaja välja töötada tehnika katalüsaatori katoodi pinnale kandmiseks, luua membraan, mis takistaks hapniku tungimist liitiumanoodile, ning samuti välja töötada meetodid spetsiaalsete poorsete elektroodide valmistamiseks.

• Tõlge

Viimastel aastatel oleme sageli kuulnud, et peaaegu – ja inimkond saab akusid, mis suudavad meie vidinaid toita nädalaid või isegi kuid, olles samas väga kompaktsed ja kiiresti laetavad. Aga asjad on alles. Miks pole seni ilmunud tõhusamaid akusid ja millised arengud maailmas toimuvad, loe lõike alt.

Tänapäeval on mitmed idufirmad lähedal ohutute ja kompaktsete akude loomisele, mille energiasalvestuskulu on umbes 100 dollarit kWh kohta. See lahendaks 24/7 toiteprobleemi ja läheks paljudel juhtudel üle taastuvatele energiaallikatele ning vähendaks samal ajal elektrisõidukite kaalu ja maksumust.

Kuid kõik need arengud on äärmiselt aeglased, et läheneda kaubanduslikule tasemele, mis ei võimalda kiirendada üleminekut fossiilselt taastuvatele allikatele. Isegi julgeid lubadusi armastav Elon Musk on sunnitud tunnistama, et tema autoosakond täiustab aeglaselt liitiumioonakusid, mitte ei loo läbimurdelisi tehnoloogiaid.

Paljud arendajad usuvad, et tulevased akud on liitiumioonidega võrreldes väga erineva kuju, struktuuri ja keemilise koostisega, mis on viimase kümnendi jooksul sundinud teised tehnoloogiad paljudelt turgudelt välja.

Qichao Hu, SolidEnergy Systemsi asutaja, kes töötas kümme aastat liitium-metallpatarei väljatöötamisel (anood on metall, mitte grafiit, nagu traditsioonilises liitiumioonis), väidab, et uute energiasalvestustehnoloogiate loomise peamine probleem on see, et parameeter paraneb, teised halvenevad. Lisaks on täna nii palju arendusi, mille autorid valjuhäälselt oma paremust väidavad, et startuppidel on väga raske potentsiaalseid investoreid veenda ja koguda piisavalt raha, et uurimistööd jätkata.

Biolaadija

See on spetsiaalse taimepoti kujul olev seade, mis kasutab mobiilsete vidinate laadimiseks fotosünteesi energiat. Ja see on juba müügil. Seade suudab pakkuda kaks kuni kolm laadimisseanssi päevas pingega 3,5 V ja voolutugevusega 0,5 A. Potis olevad orgaanilised materjalid interakteeruvad vee ja fotosünteesi reaktsiooniproduktidega, mille tulemuseks on nutitelefonide ja tahvelarvutite laadimiseks piisavalt energiat.

Kujutage ette terveid salusid, kus iga puu on istutatud sellise seadme kohale, ainult suuremad ja võimsamad. See annab ümbritsevatele majadele "tasuta" energia ja on hea põhjus metsade kaitsmiseks raadamise eest.

Kuldsete nanojuhtmetega akud

California ülikool Irvine'is on välja töötanud nanojuhtakud, mis taluvad enam kui 200 000 laadimistsüklit kolm kuud ilma võimsuse vähenemise märkideta. See pikendab oluliselt kriitiliste süsteemide ja tarbeelektroonika toitesüsteemide elutsüklit.

Inimese juuksekarvast tuhandeid kordi õhemad nanojuhtmed tõotavad helgemat tulevikku. Teadlased kasutasid oma väljatöötamisel mangaandioksiidiga kaetud kuldtraate, mis asetati geelitaolisesse elektrolüüti. See hoiab ära nanojuhtmete hävimise iga laadimistsükliga.

Magneesiumakud

Toyota tegeleb magneesiumi kasutamisega akudes. See võimaldab luua väikeseid, tihedalt pakitud mooduleid, mis ei vaja kaitseümbriseid. Pikas perspektiivis võivad sellised akud olla odavamad ja kompaktsemad kui liitiumioonakud. Tõsi, seda ei juhtu niipea. Kui see juhtub.

Tahkispatareid

Tavalistes liitiumioonakudes kasutatakse laetud osakeste elektroodide vahel ülekandmiseks väga tuleohtlikku vedelat elektrolüüti, mis akut järk-järgult halvendab.

See puudus ei ole tahkes olekus liitium-ioonakud, mida tänapäeval peetakse üheks paljutõotavamaks. Eelkõige avaldasid Toyota arendajad teadusliku artikli, milles nad kirjeldasid oma katseid sulfiidi superioonjuhtidega. Kui see õnnestub, loovad nad superkondensaatorite tasemel akusid – need laetakse või tühjenevad täielikult vaid seitsme minutiga. Ideaalne elektrisõidukitele. Ja tänu tahkisstruktuurile on sellised akud palju stabiilsemad ja ohutumad kui kaasaegsed liitiumioonakud. Samuti laieneb nende töötemperatuuri vahemik - -30 kuni +100 kraadi Celsiuse järgi.

Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlased on koostöös Samsungiga välja töötanud ka tahkisakud, mis ületavad praeguseid liitiumioonakusid. Need on ohutumad, energiatarve on 20-30% suurem ja pealegi peavad need vastu sadu tuhandeid laadimistsükleid. Ja ka mitte tuleohtu.

kütuseelemendid

Kütuseelementide täiustamine võib kaasa tuua selle, et nutitelefone laetakse kord nädalas ja droonid lendavad kauem kui tund. Pohangi teadus- ja tehnikaülikooli (Lõuna-Korea) teadlased on loonud raku, mis ühendab poorsed roostevabast terasest elemendid õhukese kilega elektrolüüdi ja minimaalse soojusmahtuvusega elektroodidega. Disain osutus töökindlamaks kui liitium-ioonakud ja kestab kauem kui need. Võimalik, et arendust rakendatakse kommertstoodetes, eelkõige Samsungi nutitelefonides.

Grafeenist autoakud

Paljud eksperdid usuvad, et tulevik kuulub grafeenpatareidele. Graphenano on välja töötanud Grabati aku, mis suudab pakkuda elektrisõidukile kuni 800 km sõiduulatust. Arendajad väidavad, et aku laetakse vaid mõne minutiga – laadimis- / tühjenemiskiirus on 33 korda kiirem kui liitiumioonil. Kiire tühjenemine on eriti oluline elektrisõidukite suure kiirenduse dünaamika jaoks.

2,3-voldise Grabati võimsus on tohutu: umbes 1000 Wh/kg. Võrdluseks on liitiumioonakude parimad näidised 180 Wh/kg tasemel.

Laseri mikrokondensaatorid

Rice'i ülikooli teadlased on teinud edusamme mikro-superkondensaatorite väljatöötamisel. Tehnoloogia üks peamisi puudusi on kõrge tootmiskulu, kuid laseri kasutamine võib kaasa tuua märkimisväärse kulude vähenemise. Kondensaatori elektroodid lõigatakse plastlehest laseriga, mis vähendab oluliselt tootmise töömahukust. Sellised akud suudavad laadida kuni 50 korda kiiremini kui liitiumioonakud ja tühjeneda aeglasemalt kui tänapäeval kasutatavad superkondensaatorid. Lisaks on need töökindlad, katsete ajal jätkasid nad tööd ka pärast 10 tuhandet kurvi.

Naatrium-ioonakud

Prantsuse teadlaste ja ettevõtete rühm RS2E on välja töötanud naatriumioonakud sülearvutitele, mis kasutavad keedusoola. Tööpõhimõtet ja tootmisprotsessi hoitakse saladuses. 6,5-sentimeetrise aku mahutavus on 90 Wh/kg, mis on võrreldav massliitiumioonadega, kuid talub seni mitte rohkem kui 2000 laadimistsüklit.

Vahtpatareid

Energia salvestamise tehnoloogiate arengu teine ​​suund on kolmemõõtmeliste struktuuride loomine. Eelkõige lõi Prieto vahtmetallist (vasest) substraadil põhineva aku. Puudub süttiv elektrolüüt, sellisel akul on pikk eluiga, see laeb kiiremini, selle tihedus on viis korda suurem, lisaks on see odavam ja väiksem kui tänapäevased akud. Prieto loodab oma arenduse esmalt rakendada kantavas elektroonikas, kuid väidab, et tehnoloogiat saab levitada laiemalt: kasutada nutitelefonides ja isegi autodes.

Suure võimsusega kiirelt laaditav "nanokollane"

Teine Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi arendus on akude nanoosakesed: õõnes titaandioksiidi kest, mille sees (nagu munakollane) on alumiiniumipulbrist, väävelhappest ja titaanoksüsulfaadist koosnev täiteaine. Täiteaine mõõtmed võivad kestast sõltumata varieeruda. Selliste osakeste kasutamine on võimaldanud kolmekordistada tänapäevaste akude võimsust ning täislaadimise kestus on vähenenud kuue minutini. Samuti on vähenenud aku lagunemise kiirus. Kirsiks tordil on madal tootmiskulu ja skaleerimise lihtsus.

Üliiresti laetav alumiiniumioon aku

Stanford on välja töötanud alumiiniumioonaku, mida saab täis laadida umbes ühe minutiga. Samal ajal on akul endal teatud paindlikkus. Peamine probleem seisneb selles, et erimahutavus on umbes poole väiksem liitiumioonakude omast. Kuigi laadimise kiirust arvestades pole see nii kriitiline.

Alfa aku – kaks nädalat vee peal

Kui Fuji Pigmentil õnnestub oma alumiinium-õhk Alfa akut täiustada, siis ootame energiakandjate ilmumist, mille võimsus on 40 korda suurem kui liitiumioon. Lisaks on aku laetav vee lisamine, tavaline või soolane. Arendajate sõnul suudab Alfa ühe laadimisega töötada kuni kaks nädalat. Võib-olla ilmuvad esimesed sellised akud elektrisõidukitele. Kujutage ette bensiinijaama, kus peatute vett joomas.

Patareid, mida saab voltida nagu paberit

uBeam – õhu kaudu laadimine

uBeam on huvitav kontseptsioon ultraheli abil mobiilseadmesse energia ülekandmiseks. Laadija kiirgab ultrahelilaineid, mille vidinal olev vastuvõtja üles korjab ja elektriks muundab. Ilmselt põhineb leiutis piesoelektrilisel efektil: vastuvõtja resoneerib ultraheli mõjul ja selle vibratsioonid toodavad energiat.

Londoni Queen Mary ülikooli teadlased läksid samamoodi. Nad lõid nutitelefoni prototüübi, mida laeb lihtsalt välismüra, sealhulgas inimeste hääl.

StoreDot

StoreDoti laadija töötas välja Tel Avivi ülikoolis asuv startup. Laboriprooviga suudeti Samsung Galaxy 4 akut laadida 30 sekundiga. Teatatakse, et seade põhineb peptiididest valmistatud orgaanilistel pooljuhtidel. 2017. aasta lõpus peaks müüki jõudma taskuaku, mis suudab nutitelefonid viie minutiga laadida.

läbipaistev päikesepaneel

Alcatel on välja töötanud läbipaistva päikesepaneeli prototüübi, mis sobib üle ekraani nii, et telefoni saab laadida lihtsalt päikese kätte asetades. Mõistagi pole kontseptsioon vaatenurkade ja laadimisvõimsuse poolest täiuslik. Aga idee on ilus.

Aasta hiljem, 2014. aastal, kuulutas Tag Heuer välja oma Tag Heuer Meridiist Infinite esindustelefoni uue versiooni, mille välisklaasi ja ekraani enda vahele pidi asetama läbipaistev päikesepaneel. Tõsi, pole selge, kas see jõudis tootmisse.

Sildid: lisa sildid

Mõelge kõige esimesele Volta leiutatud vooluallikale, mis kannab Galvani nime.

Mis tahes akude vooluallikaks saab olla ainult redoksreaktsioon. Tegelikult on need kaks reaktsiooni: aatom oksüdeerub, kui ta kaotab elektroni. Elektroni omandamist nimetatakse taastumiseks. See tähendab, et redoksreaktsioon toimub kahes punktis: kust ja kust elektronid voolavad.

Kaks metalli (elektroodi) on sukeldatud nende väävelhappe soolade vesilahusesse. Ühe elektroodi metall oksüdeerub ja teine ​​redutseerub. Reaktsiooni põhjuseks on see, et ühe elektroodi elemendid tõmbavad elektrone tugevamini ligi kui teise elemendid. Metallelektroodide paaris Zn - Cu on vase ioonil (mitte neutraalsel ühendil) suurem võime elektrone meelitada, seetõttu läheb elektron võimaluse korral tugevamasse peremeesorganismi ja tsingiioon rebitakse välja. happelahusega elektrolüüti (mingisugune ioone juhtiv aine). Elektronide ülekanne toimub mööda juhti välise elektrivõrgu kaudu. Paralleelselt negatiivse laengu liikumisega vastupidises suunas liiguvad positiivselt laetud ioonid (anioonid) läbi elektrolüüdi (vt videot)

Kõigis liitiumioonile eelnevates CHIT-ides on elektrolüüt käimasolevates reaktsioonides aktiivne osaleja
vaata pliiaku tööpõhimõtet

Galvani viga

Elektrolüüt on ka voolujuht, ainult teist tüüpi, milles laengu liikumist teostavad ioonid. Inimkeha on just selline juht ning anioonide ja katioonide liikumise tõttu tõmbuvad lihased kokku.
Nii ühendas L. Galvani kogemata kaks elektroodi läbi loodusliku elektrolüüdi – tükeldatud konna.

HIT-i omadused

Maht – elektronide arv (elektrooniline laeng), mida saab ühendatud seadmest läbi lasta kuni aku täieliku tühjenemiseni [Q] või
Kogu aku võimsuse moodustavad katoodi ja anoodi võimsused: kui palju elektrone on anood võimeline ära andma ja mitu elektroni suudab katood vastu võtta. Loomulikult on kahest võimsusest väiksem.

Pinge - potentsiaalide erinevus. energiakarakteristik, mis näitab, millist energiat ühiklaeng anoodilt katoodile liikumisel vabastab.

Energia on töö, mida saab teha antud HIT-iga kuni selle täieliku tühjenemiseni [J] või
Võimsus – energia väljundi või töö määr ajaühiku kohta
Vastupidavus või Coulombi efektiivsus- mitu protsenti võimsusest on laadimis-tühjenemise tsükli jooksul pöördumatult kadunud.

Kõik omadused on teoreetiliselt ennustatud, kuid paljude raskesti arvestatavate tegurite tõttu on enamik omadusi katseliselt täpsustatud. Seega saab neid kõiki keemia põhjal ideaaljuhuks ennustada, kuid makrostruktuuril on tohutu mõju nii võimsusele kui ka võimsusele ja vastupidavusele.

Seega sõltub vastupidavus ja mahutavus suurel määral nii laadimis- / tühjenemiskiirusest kui ka elektroodi makrostruktuurist.
Seetõttu ei iseloomusta akut mitte üks parameeter, vaid terve komplekt erinevate režiimide jaoks. Näiteks aku pinget (ühiku laengu ülekandeenergia**) saab väärtuste põhjal hinnata esimese ligikaudsusena (materjalide perspektiivi etapis). ionisatsioonienergiad toimeainete aatomid oksüdatsiooni ja redutseerimise ajal. Kuid tegelik väärtus on keemia erinevus. potentsiaalid, mille mõõtmiseks, aga ka laadimis- / tühjenemiskõverate võtmiseks, komplekteeritakse testelement koos testelektroodi ja võrdluselektroodiga.

Vesilahustel põhinevate elektrolüütide puhul kasutatakse standardset vesinikelektroodi. Liitium-Ion jaoks - metalliline liitium.

*Ionisatsioonienergia on energia, mis tuleb elektronile edastada, et katkestada side selle ja aatomi vahel. See tähendab vastupidise märgiga võttes sideme energiat ja süsteem püüab alati sideme energiat minimeerida
** Ühe ülekande energia - ühe elementaarlaengu ülekandeenergia 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] või 1eV (elektronvolt)

Li-ion akud

<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.
Nagu juba märgitud, ei osale elektrolüüt liitiumioonakudes otseselt reaktsioonis. Kus toimuvad kaks peamist reaktsiooni: oksüdatsioon ja redutseerimine ning kuidas võrdsustatakse laengu tasakaal?
Otseselt toimuvad need reaktsioonid anoodi liitiumi ja katoodistruktuuri metalliaatomi vahel. Nagu eespool märgitud, ei ole liitiumioonakude ilmumine ainult elektroodide uute ühenduste avastamine, vaid CIT-i uue tööpõhimõtte avastamine:
Anoodiga nõrgalt seotud elektron pääseb mööda välisjuhti katoodile.
Katoodis langeb elektron metalli orbiidile, kompenseerides 4. elektroni, mille temalt hapnik praktiliselt ära võtab. Nüüd ühineb metallielektron lõpuks hapnikuga ja tekkiv elektriväli tõmbab liitiumiooni hapnikukihtide vahele. Seega saavutatakse liitiumioonakude tohutu energia mitte välise 1,2 elektroni taastamisega, vaid hoopis “sügavamate” taastamisega. Näiteks kobolti puhul 4. elektron.
Liitiumioonid jäävad katoodis kinni nõrga, umbes 10 kJ/mol interaktsiooni tõttu (van der Waals) neid ümbritsevate hapnikuaatomite elektronpilvedega (punane)

Li on kolmas element, millel on väike aatomkaal ja väike suurus. Tulenevalt asjaolust, et liitium algab ja pealegi alles teine ​​rida, on neutraalse aatomi suurus üsna suur, samas kui iooni suurus on väga väike, väiksem kui heeliumi ja vesiniku aatomite suurus, mis muudab selle praktiliselt LIB-skeemis asendamatu. teine ​​tagajärg eeltoodust: välisel elektronil (2s1) on tuumaga tühine side ja see võib kergesti kaduda (see väljendub selles, et liitiumil on vesinikelektroodi suhtes madalaim potentsiaal P=-3,04V).

LIB põhikomponendid

Elektrolüüt

Erinevalt traditsioonilistest akudest ei osale elektrolüüt koos separaatoriga otseselt reaktsioonis, vaid tagab ainult liitiumioonide transpordi ega võimalda elektronide transporti.
Elektrolüütide nõuded:
- hea ioonjuhtivus
- madal elektrooniline
- odav
- kerge kaal
- mittetoksilisus
- TÖÖVÕIMALUS SEADETUD PINGE- JA TEMPERATUURIVALIKUS
- vältida elektroodide struktuurimuutusi (vältida mahtuvuse vähenemist)
Selles ülevaates luban teil mööda minna elektrolüütide teemast, mis on tehniliselt keeruline, kuid meie teema jaoks mitte nii oluline. LiFP 6 lahust kasutatakse peamiselt elektrolüüdina
Kuigi arvatakse, et separaatoriga elektrolüüt on absoluutne isolaator, pole see tegelikult nii:
Liitiumioonelementides esineb isetühjenemise nähtus. need. liitiumioon koos elektronidega jõuab katoodile läbi elektrolüüdi. Seetõttu tuleb pikaajalisel ladustamisel hoida akut osaliselt laetuna.
Pikkade töökatkestuste korral ilmneb ka vananemisnähtus, kui ühtlaselt küllastunud liitiumioonist eraldatakse eraldi rühmad, mis rikuvad kontsentratsiooni ühtlust ja vähendavad seeläbi üldist võimsust. Seetõttu peate aku ostmisel kontrollima väljalaskekuupäeva

Anoodid

Anoodid on elektroodid, millel on nõrk side nii "külalise" liitiumiooni kui ka vastava elektroniga. Praegu on buum liitium-ioonakudele mõeldud mitmesuguste anoodilahenduste väljatöötamises.
nõuded anoodidele

• Kõrge elektrooniline ja ioonjuhtivus (kiire liitiumi lisamise / ekstraheerimise protsess)
• Madal pinge testelektroodiga (Li)
• Suur erivõimsus
• Anoodi struktuuri kõrge stabiilsus liitiumi sisestamise ja ekstraheerimise ajal, mis vastutab Coulombi eest

Parandusmeetodid:

• Muutke anoodaine struktuuri makrostruktuuri
• Vähendage aine poorsust
• Valige uus materjal.
• Kasutage segatud materjale
• Parandage elektrolüüdiga faasipiiri omadusi.

Üldiselt võib LIB anoodid jagada kolme rühma vastavalt sellele, kuidas liitium selle struktuuris on:

Anoodid on hostid. Grafiit

Peaaegu kõik mäletavad keskkoolist, et süsinik eksisteerib tahkel kujul kahes põhistruktuuris – grafiidis ja teemandis. Nende kahe materjali omaduste erinevus on silmatorkav: üks on läbipaistev, teine ​​mitte. Üks isolaator on teine ​​juht, üks lõikab klaasi, teine ​​hõõrub vastu paberit. Põhjus on aatomitevahelise interaktsiooni erinev olemus.
Teemant on kristallstruktuur, kus sp3 hübridisatsiooni tõttu tekivad aatomitevahelised sidemed ehk kõik sidemed on ühesugused – kõik kolm 4 elektroni moodustavad σ-sidemed teise aatomiga.
Grafiit moodustub sp2 hübridisatsiooni teel, mis määrab kihilise struktuuri ja nõrga sideme kihtide vahel. "Ujuva" kovalentse π-sideme olemasolu muudab grafiidi süsiniku suurepäraseks juhiks
Grafiit on esimene ja tänapäeval peamine anoodimaterjal, millel on palju eeliseid.
Kõrge elektrooniline juhtivus
Kõrge ioonjuhtivus
Väikesed mahulised deformatsioonid liitiumi aatomite sisestamisel
Odav
Esimese grafiidi anoodimaterjalina pakkus välja juba 1982. aastal S. Basu ja 1985. aastal viis selle liitiumioonelemendisse A. Yoshino
Algul kasutati elektroodis grafiiti selle loomulikul kujul ja selle võimsus ulatus vaid 200 mAh/g. Peamine ressurss võimsuse suurendamisel oli grafiidi kvaliteedi parandamine (struktuuri parandamine ja puhastamine lisanditest). Fakt on see, et grafiidi omadused varieeruvad oluliselt sõltuvalt selle makrostruktuurist ja paljude erinevalt orienteeritud anisotroopsete terade olemasolu struktuuris halvendab oluliselt aine difusiooniomadusi. Insenerid püüdsid suurendada grafitisatsiooni astet, kuid selle suurenemine viis elektrolüüdi lagunemiseni. Esimeseks lahenduseks kasutati purustatud vähegrafitiseeritud süsinikku segatuna elektrolüüdiga, mis suurendas anoodi võimsust 280mAh/g-ni (tehnoloogia on siiani laialdaselt kasutusel).Sellest saadi üle 1998. aastal lisati elektrolüüti spetsiaalsed lisandid, mis loovad kaitsva kihi. kiht esimesel tsüklil (edaspidi SEI tahke elektrolüüdi liides), mis takistab elektrolüüdi edasist lagunemist ja võimaldab kasutada tehisgrafiiti 320 mAh / g. Praeguseks on grafiitanoodi võimsus jõudnud 360 mAh/g ning kogu elektroodi võimsus on 345mAh/g ja 476 Ah/l.

Reaktsioon: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

Grafiidi struktuur on võimeline vastu võtma maksimaalselt 1 Li aatomit 6 C kohta, seega on maksimaalne saavutatav võimsus 372 mAh / g (see pole niivõrd teoreetiline näitaja, kuivõrd üldkasutatav arv, kuna siin on kõige haruldasem juhtum, kui midagi reaalset ületab teoreetilise, sest praktikas saab liitiumioone paigutada mitte ainult rakkude sisse, vaid ka grafiiditerade murdudele)
Alates 1991. aastast grafiitelektrood on läbi teinud palju muutusi ja tundub, et mõnedes omadustes iseseisva materjalina on jõudnud laeni. Peamine parendusvaldkond on võimsuse suurendamine, s.o. Aku tühjenemise/laadimise määrad. Võimsuse suurendamise ülesanne on samaaegselt ka vastupidavuse suurendamise ülesanne, kuna anoodi kiire tühjenemine/laadimine viib grafiitstruktuuri hävimiseni läbi selle “venitatud” liitiumioonide poolt. Lisaks standardsetele võimsuse suurendamise tehnikatele, mis tavaliselt taanduvad pinna/mahu suhte suurendamisele, tuleb ära märkida grafiidi monokristalli difusiooniomaduste uurimine kristallvõre eri suundades, mis näitab, et Liitiumi difusioonikiirus võib erineda 10 suurusjärku.

K.S. Novoselov ja A.K. Geim – 2010. aasta Nobeli füüsikaauhinna laureaadid Grafeeni iseseisva kasutamise pioneerid
Bell Laboratories U.S. Patent 4 423 125
Asahi Chemical Ind. Jaapani patent 1989293
Ube Industries Ltd. USA patent 6 033 809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa ja Ralph J. Brodd. Liitiumioonakud, teadus ja tehnoloogia Springer 2009.
Liitiumi difusioon graafilises süsinikus Kristin Persson at.al. Phys. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley riiklik labor. 2010. aasta
Liitiumiga interkaleeritud grafiidi LiC6 struktuursed ja elektroonilised omadused, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Ülevaade 2003.
Liitiumioonakus kasutatava negatiivse elektroodi aktiivne materjal ja tootmismeetod sama. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923 908 2003
Elektroodide tiheduse mõju tsükli jõudlusele ja liitiumioonakude loodusliku grafiitanoodi pöördumatu võimsuse kadu. Joongpyo Shim ja Kathryn A. Striebel

Anoodid Tin ja Co. Sulamid

Praeguseks on ühed paljutõotavamad perioodilisustabeli 14. rühma elementide anoodid. Veel 30 aastat tagasi uuriti hästi tina (Sn) võimet moodustada liitiumiga sulameid (vahelahuseid). Alles 1995. aastal kuulutas Fuji välja tinapõhise anoodimaterjali (vt nt.
Loogiline oli eeldada, et sama rühma kergematel elementidel on samad omadused ning räni (Si) ja germaanium (Ge) näitavad tõepoolest identset liitiumi vastuvõtumustrit.
Li 22 Sn 5, Li 22 Ge 5, Li 15 Si 4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Peamine ja üldine raskus selle materjalirühma kasutamisel on tohutu, 357% kuni 400% mahulised deformatsioonid liitiumiga küllastumisel (laadimise ajal), mis põhjustab suuri mahtuvuskadusid vooluga kontakti katkemise tõttu. kollektor osa anoodi materjalist.

Võib-olla on selle rühma kõige keerukam element tina:
olles kõige raskem, annab see raskemaid lahendusi: sellise anoodi maksimaalne teoreetiline võimsus on 960 mAh/g, kuid kompaktne (7000 Ah/l -1960Ah/l* ) ületab sellegipoolest traditsioonilisi süsinikanoote 3 ja 8 (2,7* ) korda , vastavalt.
Kõige lootustandvamad on ränipõhised anoodid, mis on teoreetiliselt (4200 mAh/g ~3590 mAh/g) üle 10 korra kergemad ja 11 (3,14*) korda kompaktsemad (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) kui grafiit. anoodid.
Si-l puudub piisav elektrooniline ja ioonjuhtivus, mis sunnib meid otsima lisavahendeid anoodi võimsuse suurendamiseks.
Ge , germaaniumi ei mainita nii sageli kui Sn ja Si, kuid kuna see on vahepealne, on sellel suur (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / l) mahutavus ja 400 korda kõrgem ioonjuhtivus kui Si-l, mis võib kaaluda üles selle kõrge hinna. suure võimsusega elektrotehnika loomisest

Koos suurte mahuliste deformatsioonidega on veel üks probleem:
võimsuse kaotus esimeses tsüklis liitiumi pöördumatu reaktsiooni tõttu oksiididega

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

Millised on suuremad, seda suurem on elektroodi kokkupuude õhuga (seda suurem on pind, st seda peenem on struktuur)
Välja on töötatud palju skeeme, mis võimaldavad ühel või teisel määral ära kasutada nende ühendite suurt potentsiaali, tasandades puudused. Kuid lisaks eelistele:
Kõiki neid materjale kasutatakse praegu grafiidiga kombineeritud anoodides, suurendades nende omadusi 20-30%.

* väärtused on märgitud, autori parandatud, kuna tavalised arvud ei võta arvesse märkimisväärset mahu suurenemist ja töötavad toimeaine tiheduse väärtusega (enne liitiumiga küllastumist) ega kajasta seetõttu asjade tegelik seis üldse

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
USA patenditaotlus 20080003502.
Sony Nexelioni keemia ja struktuur
Liitiumioonelektroodide materjalid
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read ja D. Foster
Armee uurimislabor 2006.

Liitiumioonakude elektroodid – uus viis vana probleemi lahendamiseks
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008ƒ.

Olemasolevad arengud

Kõik olemasolevad lahendused anoodi suurte deformatsioonide probleemile lähtuvad ühest kaalutlusest: laienemise ajal on mehaaniliste pingete põhjuseks süsteemi monoliitsus: monoliitne elektrood lõhkuda paljudeks võimalikeks väiksemateks struktuurideks, võimaldades neil iseseisvalt laieneda. üksteisest.
Esimene, kõige ilmsem meetod on aine lihtne jahvatamine mingi hoidiku abil, mis takistab osakeste ühinemist suuremateks, samuti saadud segu küllastumist elektrone juhtivate ainetega. Sarnast lahendust võib jälgida ka grafiitelektroodide evolutsioonis. See meetod võimaldas saavutada mõningaid edusamme anoodide võimsuse suurendamisel, kuid sellegipoolest suurendas kuni vaadeldavate materjalide potentsiaali täieliku avalikustamiseni anoodi mahtu (nii mahtu kui ka massi) ~ 10-30 võrra. % (400–550 mAh / g) väikese võimsusega
Suhteliselt varajane meetod nanosuuruses tinaosakeste (elektrolüüsi teel) viimiseks grafiidist kerade pinnale,
Geniaalne ja lihtne lähenemine probleemile võimaldas luua tõhusa aku, kasutades tavalist tööstuslikku pulbrit 1668 Ah/l
Järgmine samm oli üleminek mikroosakestelt nanoosakestele: ultramoodsad akud ja nende prototüübid arvestavad ja moodustavad nanomeetri skaalal aine struktuure, mis võimaldas suurendada võimsust 500-600 mAh / g (~ 600 Ah / l *) vastuvõetava vastupidavusega

Üks paljudest paljutõotavatest elektroodide nanostruktuuride tüüpidest on nn. kestasüdamiku konfiguratsioon, kus südamik on töötavast ainest väikese läbimõõduga pall ja kest toimib "membraanina", mis takistab osakeste purunemist ja tagab elektroonilise side keskkonnaga. Vase kasutamine tina nanoosakeste kestana andis muljetavaldavaid tulemusi, näidates suurt läbilaskevõimet (800 mAh/g – 540 mAh/g *) paljude tsüklite jooksul, aga ka suurte laadimis-/tühjendusvoolude korral. Võrreldes süsiniku kestaga (600 mAh/g ) on see Si-C puhul sarnane Kuna nanopallid koosnevad täielikult toimeainest, tuleks selle mahumahtu pidada üheks suurimaks (1740 Ah/l (*))

Nagu märgitud, on tööaine järsu paisumise kahjulike mõjude vähendamiseks vaja paisumiseks ruumi jätta.
Viimase aasta jooksul on teadlased saavutanud muljetavaldavaid edusamme toimivate nanostruktuuride – nanovarraste – loomisel
Jaephil Cho saavutab 2800 mAh/g madala võimsuse 100 tsükliga ja 2600 → 2400 suurema võimsusega, kasutades poorset silikoonstruktuuri
samuti stabiilsed Si nanokiud, mis on kaetud 40 nm grafiitkilega, demonstreerides pärast 200 tsüklit 3400 → 2750 mAh/g (akt. in-va).
Yan Yao jt soovitavad kasutada Si-d õõnsate sfääride kujul, saavutades hämmastava vastupidavuse: algvõimsus 2725 mah/g (ja ainult 336 Ah/l (*)) ning võimsuse langus pärast 700 tsüklit alla 50 %

2011. aasta septembris teatasid Berkley labori teadlased stabiilse elektroni juhtiva geeli loomisest,
mis võib ränimaterjalide kasutamises revolutsiooni teha. Selle leiutise olulisust on vaevalt võimalik ülehinnata: uus geel võib toimida nii hoidiku kui ka juhina, hoides ära nanoosakeste splaissimise ja kontakti kadumise. Võimaldab aktiivse materjalina kasutada odavaid tööstuslikke pulbreid ning on tegijate sõnul hinna poolest võrreldav traditsiooniliste hoidjatega. Tööstuslikest materjalidest (Si nanopulber) valmistatud elektrood annab stabiilse 1360 mAh/g ja väga kõrge 2100 Ah/l (*)

*- autori poolt arvutatud hinnang tegelikule võimsusele (vt lisa)
PRL. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 USA patenditaotlus 20080003502.
Sony Nexelioni keemia ja struktuur J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read ja D. Foster Army Research Laboratory 2006.
Suure võimsusega liitiumioonaku anoodid, mis kasutavad Ge nanojuhtmeid
Grafiit/tina komposiitanoodi materjalide kuuljahvatamine vedelas keskkonnas. Ke Wang 2007.
Elektrooniliselt kaetud tinaühendid süsiniku segul liitiumioonaku anoodina Journal of Power Sources 2009.
Carbone-Shelli mõju liitiumioonakude Sn-C komposiitanoodile. Kiano Ren et al. Ioonika 2010.
Uued Core-Shell Sn-Cu anoodid Li Rechi jaoks. Redoks-transmetalleerimisel valmistatud akud reageerivad. täiustatud materjalid. 2010. aasta
tuum topeltkest [e-postiga kaitstud]@C nanokomposiidid liitiumioonakude anoodimaterjalidena Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Suure võimsusega liitiumpatareielektroodide jaoks kohandatud elektroonilise struktuuriga polümeerid Gao Liu et al. Adv. mater. 2011, 23, 4679–4683
Ühendatud räni õõnsad nanosfäärid pika tööeaga liitiumioonaku anoodide jaoks. Yan Yao et al. Nanokirjad 2011.
Poorsed Si anoodmaterjalid liitiumakudele, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014
Elektroodid liitiumioonakude jaoks – uus viis vaadata elektrokeemiaseltsi vana probleemi ajakirja, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008ƒ.
AKUPARANDUSED, USA patent 8062556 2006

Lisa

Elektroodkonstruktsioonide erijuhud:

Vasega kaetud tina nanoosakeste tegeliku võimsuse hindamine [e-postiga kaitstud]

Artiklist lähtudes on osakeste mahusuhe 1 kuni 3m




0,52 on pulbri pakkimise suhe. Vastavalt sellele on ülejäänud maht hoidiku taga 0,48

Nanosfäärid. Pakkimissuhe.
nanosfääridele antud väike mahutavus on tingitud sellest, et kerad on seest õõnsad ja seetõttu on aktiivse materjali tihendussuhe väga madal

isegi see on 0,1, võrdluseks lihtsa pulbri puhul - 0,5...07

Vahetage reaktsioonianoodid. metallioksiidid.

Paljutõotavasse rühma kuuluvad kahtlemata ka metallioksiidid, näiteks Fe 2 O 3 . Kõrge teoreetilise mahtuvusega materjalid vajavad lahendusi ka elektroodi toimeaine diskreetsuse suurendamiseks. Selles kontekstis pööratakse siinkohal piisavalt tähelepanu sellisele olulisele nanostruktuurile nagu nanokiud.
Oksiidid näitavad kolmandat viisi liitiumi lisamiseks ja välistamiseks elektroodi struktuuris. Kui grafiidis asub liitium peamiselt grafeenikihtide vahel, räniga lahustes sisestatakse see selle kristallvõresse, siis siin toimub pigem "hapnikuvahetus" elektroodi "peamise" metalli ja külalise - liitiumi - vahel. Elektroodis moodustub liitiumoksiidi massiiv ja mitteväärismetall immutatakse maatriksi sees nanoosakesteks (vt näiteks reaktsiooni molübdeenoksiidiga joonisel MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Selline interaktsiooni olemus eeldab metalliioonide lihtsa liikumise vajadust elektroodi struktuuris, st. kõrge difusioon, mis tähendab üleminekut peenosakestele ja nanostruktuuridele

Rääkides erinevast anoodimorfoloogiast, elektroonilise side tagamise meetoditest, võib lisaks traditsioonilisele (aktiivpulber, grafiidipulber + hoidik) eristada juhtiva ainena ka teisi grafiidi vorme:
Levinud lähenemisviis on grafeeni ja põhiaine kombinatsioon, kui nanoosakesed võivad asuda otse grafeeni "lehel" ja see omakorda toimib tööaine paisumise ajal juhi ja puhvrina. See struktuur pakuti välja Co 3 O 4 778 mAh/g jaoks ja on üsna vastupidav. Sarnaselt 1100 mAh/g Fe 2 O 3
kuid grafeeni väga madalat tihedust silmas pidades on raske isegi hinnata, kui rakendatavad sellised lahendused on.
Teine võimalus on kasutada grafiidist nanotorusid A.C. Dillon et al. MoO 3 katsetamine näitas suurt võimsust 800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l*) ja 5 massiprotsenti hoidiku mahu vähenemisest pärast 50 tsüklit katmist alumiiniumoksiidiga ja ka Fe 3 O 4-ga, ilma hoidiku abil stabiilselt 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Joon. paremal: SEM-kujutis anoodi nanokiududest / Fe 2 O 3 õhukeste grafiittorudega 5 massiprotsenti (valge)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 2 O+xM

Paar sõna nanokiudude kohta

Hiljuti on nanokiud olnud materjaliteaduslike väljaannete, eriti paljulubavatele akudele pühendatud publikatsioonide üks kuumimaid teemasid, kuna need pakuvad suurt aktiivset pinda koos hea osakestevahelise sidemega.
Algselt kasutati nanokiude omamoodi aktiivse materjali nanoosakestena, mis homogeenses segus hoidiku ja juhtivate ainetega moodustavad elektroodi.
Nanokiudude pakkimistiheduse küsimus on väga keeruline, kuna see sõltub paljudest teguritest. Ja ilmselt tahtlikult praktiliselt valgustamata (täpsemalt elektroodide suhtes). See muudab juba kogu anoodi tegelike näitajate analüüsimise keeruliseks. Hinnangu andmiseks julges autor kasutada R. E. Mucki tööd, mis on pühendatud heinatiheduse analüüsile punkrites. Nanokiudude SEM-piltide põhjal otsustades oleks pakendamistiheduse optimistlik analüüs 30-40%.
Viimase 5 aasta jooksul on rohkem tähelepanu pööratud nanokiudude sünteesile otse praegusel kollektoril, millel on mitmeid tõsiseid eeliseid:
Tagatud on töömaterjali otsekontakt voolukollektoriga, paraneb kontakt elektrivooluga ning kaob vajadus grafiidilisandite järele. mitmest tootmisetapist jäetakse mööda, tööaine pakkimistihedus suureneb oluliselt.
K. Chan jt testisid Ge nanokiude 1000mAh/g (800Ah/l) madala võimsusega ja 800→550 (650→450 Ah/l*) temperatuuril 2C pärast 50 tsüklit. Samal ajal näitasid Yanguang Li ja autorid Co 3 O 4 suurt mahtuvust ja tohutut võimsust: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) pärast 20 tsüklit ja 600 mAh / g (480 Ah / l *). ) 20-kordse voolu suurenemisega

A. Belcheri** inspireerivad teosed, mis on esimesed sammud uude biotehnoloogia ajastusse, väärivad äramärkimist ja soovitamist kõigile tutvumiseks.
Bakteriofaagi viirust modifitseerides õnnestus A. Belcheril loodusliku bioloogilise protsessi tõttu toatemperatuuril selle alusel ehitada nanokiud. Arvestades selliste kiudude suurt struktuurset selgust, ei ole saadud elektroodid mitte ainult keskkonnasõbralikud, vaid näitavad ka nii kiupakendi tihendamist kui ka oluliselt pikemat eluiga.

*- autori poolt arvutatud hinnang tegelikule võimsusele (vt lisa)
**
Angela Belcher on silmapaistev teadlane (keemik, elektrokeemik, mikrobioloog). Nanokiudude sünteesi ja nende elektroodidesse järjestamise leiutaja spetsiaalselt aretatud viiruskultuuride kaudu
(vaata intervjuud)

Lisa

Nagu öeldud, tekib anoodi laeng reaktsiooni kaudu

Ma ei leidnud kirjandusest viiteid elektroodi tegelike paisumiskiiruste kohta laadimise ajal, seega teen ettepaneku hinnata neid võimalikult väikeste muudatustega. See tähendab, et vastavalt reagentide ja reaktsioonisaaduste molaarmahtude suhtele (V Lihitated - laetud anoodi ruumala, V UnLihitated - tühjenenud anoodi ruumala) on metallide ja nende oksiidide tihedused kergesti leitavad. avatud allikates.

Arvutusvalemid	MoO 3 arvutusnäide

Tuleb meeles pidada, et saadud mahutavus on pideva toimeaine mahutavus, seetõttu võtab toimeaine sõltuvalt struktuuri tüübist erineva osa kogu materjali mahust, seda võetakse arvesse. pakkimisteguri k p kasutusele võtmisel. Näiteks pulbri puhul on see 50-70%.

Väga pööratav Co3O4/grafeeni hübriidanood liitiumakudele. H. Kim et al. CARBON 49(2011) 326-332
Nanostruktureeritud redutseeritud grafeenoksiid/Fe2O3 komposiit suure jõudlusega anoodmaterjalina liitiumioonakude jaoks. ACSNANO VOL. 4 ▪ EI. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010. a
Nanostruktureeritud metalloksiidanoodid. A. C. Dillon. 2010. aasta
Uus viis punkri silo tiheduse vaatamiseks. R. E. Muck. USA piimasööda uurimiskeskus Madison, Madison WI
Suure mahutavusega liitiumioonaku anoodid, kasutades Ge nanojuhtmeid K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, nr. 1 307-309
Mesopoorsed Co3O4 nanotraatmassiivid suure võimsuse ja kiirusega liitiumioonakudele. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, nr. 1 265-270
Liitiumioonakuelektroodide nanojuhtmete viirusepõhine süntees ja kokkupanek Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06. aprill 2006 / lk 1 / 10.1126/science.112271
Viiruse toega silikoonanood liitiumioonakude jaoks. Xilin Chen et al. ACS Nano, 2010, 4(9), lk 5366–5372.
VIIRUSTELLINGUD ISEKOONDATUD, PAINDLIKU JA KERGE LIITIUMAKU MITT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Liitiumioon HIT. katoodid

Liitiumioonakude katoodid peavad peamiselt suutma vastu võtta liitiumioone ja andma kõrget pinget ja seega ka suurt energiat koos võimsusega.

Huvitav olukord on kujunenud Li-Ion aku katoodide arendamise ja tootmise valdkonnas. 1979. aastal patenteerisid John Goodenough ja Mizuchima Koichi Li-Ion akude jaoks mõeldud LiMO2 kihilised katoodid, mis katavad peaaegu kõik olemasolevad liitiumioonakude katoodid.
Katoodi põhielemendid
hapnik kui lüli, sild, aga ka liitiumi "püüdmine" oma elektronipilvedega.
Siirdemetall (st valents-d-orbitaalidega metall), kuna see võib moodustada erineva arvu sidemetega struktuure. Esimestel katoodidel kasutati TiS 2 väävlit, kuid seejärel mindi üle hapnikule, mis on kompaktsem ja mis kõige tähtsam, elektronegatiivsem element, mis annab metallidega peaaegu täielikult ioonse sideme. LiMO 2 (*) kihiline struktuur on kõige levinum ja kõik arendused kubisevad kolme kandidaadi M=Co, Ni, Mn ümber ja vaatavad pidevalt väga odavat Fe .

Koobalt, vastupidiselt paljudele asjadele, hõivas Olympuse kohe ja hoiab seda endiselt (90% katoodidest), kuid kihilise struktuuri kõrge stabiilsuse ja korrektsuse tõttu alates 140 mAh / g suurenes LiCoO 2 võimsus 160-170 mAh / g-ni. , tänu pingevahemiku laienemisele. Kuid selle harulduse tõttu Maal on Co liiga kallis ja selle kasutamist puhtal kujul saab õigustada vaid väikestes akudes, näiteks telefonide jaoks. 90% turust on hõivatud kõige esimese ja hetkel endiselt kõige kompaktsema katoodiga.
Nikkel oli ja jääb paljulubavaks materjaliks, millel on kõrge 190 mA/g, kuid see on palju vähem stabiilne ja sellist kihilist struktuuri puhtal kujul Ni puhul ei eksisteeri. Li ekstraheerimine LiNiO 2-st toodab peaaegu 2 korda rohkem soojust kui LiCoO 2-st, mistõttu on selle kasutamine selles piirkonnas vastuvõetamatu.
Mangaan. Veel üks hästi uuritud struktuur on 1992. aastal leiutatud struktuur. Jean-Marie Tarasco, mangaanoksiidi spinellkatood LiMn 2 O 4 : veidi väiksema mahtuvusega on see materjal palju odavam kui LiCoO 2 ja LiNiO 2 ning palju töökindlam. Tänapäeval on see hea variant hübriidsõidukite jaoks. Viimased arengud on seotud nikli legeerimisega koobaltiga, mis parandab oluliselt selle struktuurseid omadusi. Märkimisväärset stabiilsuse paranemist täheldati ka siis, kui Ni oli legeeritud elektrokeemiliselt inaktiivse Mg-ga: LiNi 1-y Mg y O 2 . Liitiumioonkatoodide jaoks on palju sulameid LiMn x O 2x.
fundamentaalne probleem- kuidas suurendada võimsust. Tina ja räni puhul oleme juba näinud, et kõige ilmsem viis mahtuvuse suurendamiseks on perioodilisustabelis ülespoole sõita, kuid kahjuks pole praegu kasutatavate siirdemetallide kohal midagi (joonis paremal). Seetõttu on kõik viimaste aastate edusammud katoodidega seotud üldiselt seotud olemasolevate puuduste kõrvaldamisega: vastupidavuse suurendamine, kvaliteedi parandamine, nende kombinatsioonide uurimine (joonis ülal vasakul)
Raud. Liitiumioonide ajastu algusest peale on palju katseid rauda katoodides kasutada, kuid kõik tulutult. Kuigi LiFeO 2 oleks ideaalne odav ja võimas katood, on näidatud, et Li ei saa konstruktsioonist normaalses pingevahemikus eraldada. Olukord muutus radikaalselt 1997. aastal Olivine LiFePO 4 e/h omaduste uurimisega. Suur võimsus (170 mAh/g) umbes 3,4 V liitiumanoodiga ja ei mingit tõsist võimsuse langust isegi pärast mitusada tsüklit. Oliviini peamiseks puuduseks oli pikka aega halb juhtivus, mis piiras oluliselt võimsust. Olukorra parandamiseks tehti klassikalisi liigutusi (lihvimine grafiitkattega), kasutades grafiidiga geeli, 800 tsükliga oli võimalik saavutada suur võimsus 120mAh / g. Tõeliselt tohutu edu on saavutanud napp Nb doping, suurendades juhtivust 8 suurusjärku.
Kõik viitab sellele, et oliviinist saab elektrisõidukite jaoks kõige massiivsem materjal. LiFePO 4 õiguste ainuomamise pärast on A123 Systems Inc. juba mitu aastat haginud. ja Black & Decker Corp, mitte ilma põhjuseta uskudes, et see on elektrisõidukite tulevik. Ärge imestage, kuid kõik patendid on esitatud samale katoodide kaptenile - John Goodenoughile.
Oliviin tõestas odavate materjalide kasutamise võimalust ja murdis läbi omamoodi plaatina. Tekkinud ruumi tormas kohe insenerimõte. Nii arutatakse praegu aktiivselt näiteks sulfaatide asendamist fluorofosfaatidega, mis tõstab pinget 0,8 V võrra, s.o. Suurendage energiat ja võimsust 22%.
See on naljakas: samal ajal kui oliviiniõiguste vaidlus kestab, puutusin kokku paljude noname tootjatega, kes pakkusid uue katoodi elemente,

* Kõik need ühendid eksisteerivad püsivalt ainult koos liitiumiga. Ja vastavalt sellele on sellest juba küllastunud. Seetõttu tuleb nende baasil akusid ostes esmalt akut laadida, destilleerides osa liitiumist anoodile.
** Mõistes liitium-ioonaku katoodide arengut, hakkate seda tahtmatult tajuma kahe hiiglase duellina: John Goodenoughi ja Jean-Marie Tarasco. Kui Goodenough patenteeris oma esimese põhimõtteliselt eduka katoodi 1980. aastal (LiCoO 2 ), siis dr Trasko vastas kaksteist aastat hiljem (Mn 2 O 4 ). Ameeriklase teine ​​fundamentaalne saavutus leidis aset 1997. aastal (LiFePO 4 ) ning viimase kümnendi keskel laiendab prantslane ideed LiFeSO 4 F kasutuselevõtuga ning tegeleb täielikult orgaaniliste elektroodide kasutamisega.
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K.U.S. Patent 4 302 518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K.U.S. Patent 4 357 215, 1981.
Liitiumioonakude teadus ja tehnoloogia. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
LiMn2O4 interkalatsiooniühendite valmistamise meetod ja nende kasutamine sekundaarsetes liitiumakudes. barbox; Philippe Shokoosi; Frough K., Tarascon; Jean Marie. Bell Communications Research Inc. 1992 USA patent 5 135 732.

Taaslaetav elektrokeemiline element stöhhiomeetrilise titaandisulfiidi Whittingham katoodiga; M. Stanley. USA patent 4 084 046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Liitiumakud ja katoodmaterjalid. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
3,6 V liitiumipõhine fluorosulfaadi sisestuspositiivne elektrood liitiumioonakude jaoks. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 ja J-M. Tarascon. LOODUSMATERJAL november 2009.

Lisa

Katoodide võimsus on jällegi määratletud kui maksimaalne laengu, mis eraldatakse aine, näiteks rühma massi kohta
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

Näiteks Co jaoks

Li ekstraheerimisastmega x=0,5 on aine mahutavus

Praegu on tehnilise protsessi täiustused võimaldanud suurendada ekstraheerimisastet ja jõuda 160 mAh / g
Kuid enamik turul olevaid pulbreid ei saavuta neid näitajaid.

orgaaniline ajastu.
Ülevaate alguses tõime elektrisõidukitele ülemineku ühe peamise tõukejõuna välja saaste vähendamise. Aga võtame näiteks moodsa hübriidauto: see kulutab kindlasti vähem kütust, kuid selle jaoks mõeldud aku valmistamisel põletab 1 kWh umbes 387 kWh süsivesinikke. Muidugi paiskab selline auto saasteaineid vähem õhku, kuid kasvuhoonegaaside eest tootmisel siiski pääsu ei ole (70-100 kg CO 2 1 kWh kohta). Lisaks ei kasutata kaasaegses tarbimisühiskonnas kaupu enne, kui nende ressurss on ammendatud. See tähendab, et selle energialaenu "tagastamise" periood on lühike ja kaasaegsete akude utiliseerimine on kallis ega ole kõikjal saadaval. Seega on tänapäevaste akude energiatõhusus endiselt küsimärgi all.
Hiljuti on ilmunud mitu julgustavat biotehnoloogiat, mis võimaldavad sünteesida elektroode toatemperatuuril. A. Belcher (viirused), J.M. Tarasco (bakterite kasutamine).

Suurepärane näide sellisest paljutõotavast biomaterjalist on litiseeritud oksosüsinik - Li 2 C 6 O 6 (liitiumradisonaat), mis, olles võimeline pöörduvalt mahutama kuni neli Li valemi kohta, näitas suurt gravimeetrilist võimsust, kuid kuna redutseerimine on seotud pi-sidemetega on selle -potentsiaal mõnevõrra väiksem (2,4 V). Samamoodi peetakse positiivse elektroodi aluseks teisi aromaatseid rõngaid, mis samuti näitavad patareide märkimisväärset heledamaks muutumist.
Mis tahes orgaaniliste ühendite peamine "miinus" on nende madal tihedus, kuna kogu orgaaniline keemia käsitleb kergeid elemente C, H, O ja N. Et mõista, kui paljulubav see suund on, piisab, kui öelda, et neid aineid on võimalik saada õuntest ja maisist ning need on ka kergesti taaskasutatavad ja taaskasutatavad.
Liitiumradisonaati peetakse juba praegu kõige lootustandvamaks katoodiks autotööstuses, kui mitte piiratud voolutiheduse (võimsuse) ja kaasaskantava elektroonika jaoks kõige lootustandvamaks, kui mitte materjali madala tiheduse (madala mahu mahtuvuse) tõttu (joonis 1). vasakule). Seni on see siiski vaid üks paljutõotavamaid töörinde.Akud

mobiilseadmed

Lisa märksõnu