تلفن همراهی را تصور کنید که بیش از یک هفته شارژ نگه می دارد و سپس در 15 دقیقه شارژ می شود. خارق العاده؟ اما ممکن است به لطف مطالعه جدید دانشمندان دانشگاه نورث وسترن (ایوانستون، ایلینوی، ایالات متحده آمریکا) به واقعیت تبدیل شود. گروهی از مهندسان الکترودی را برای باتری‌های قابل شارژ لیتیوم یونی (که امروزه در اکثر تلفن‌های همراه استفاده می‌شود) توسعه دادند که ظرفیت انرژی آن‌ها را 10 برابر افزایش داد. شگفتی های دلپذیر به این محدود نمی شود - دستگاه های باتری جدید می توانند 10 برابر سریعتر از باتری های فعلی شارژ شوند.

برای غلبه بر محدودیت های تحمیل شده توسط فناوری های موجود بر ظرفیت انرژی و نرخ شارژ باتری، دانشمندان دو رویکرد مختلف مهندسی شیمی را به کار گرفته اند. باتری به‌دست‌آمده نه تنها زمان کار دستگاه‌های الکترونیکی کوچک (مانند تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها) را افزایش می‌دهد، بلکه راه را برای توسعه باتری‌های کارآمدتر و فشرده‌تر برای وسایل نقلیه الکتریکی هموار می‌کند.

پروفسور هارولد اچ کونگ، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: "ما راهی برای افزایش زمان ماندگاری باتری لیتیوم یون جدید تا 10 برابر پیدا کرده ایم." حتی پس از 150 جلسه شارژ/دشارژ، یعنی حداقل یک سال کارکرد، پنج برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یون موجود در بازار باقی می‌ماند.

عملکرد یک باتری لیتیوم یونی بر اساس یک واکنش شیمیایی است که در آن یون های لیتیوم بین یک آند و یک کاتد قرار گرفته در انتهای مخالف باتری حرکت می کنند. در طول کار باتری، یون های لیتیوم از آند از طریق الکترولیت به کاتد مهاجرت می کنند. هنگام شارژ، جهت آنها برعکس می شود. باتری های موجود در حال حاضر دو محدودیت مهم دارند. ظرفیت انرژی آنها - یعنی زمانی که باتری می تواند شارژ نگه دارد - با چگالی شارژ یا تعداد یون های لیتیوم که می توانند در آند یا کاتد قرار گیرند محدود می شود. در همان زمان، نرخ شارژ چنین باتری با سرعتی که یون های لیتیوم قادر به حرکت از طریق الکترولیت به آند هستند، محدود می شود.

در باتری های قابل شارژ فعلی، آندی که از صفحات گرافن زیادی تشکیل شده است، تنها می تواند یک اتم لیتیوم به ازای هر شش اتم کربن (که گرافن از آن تشکیل شده است) داشته باشد. در تلاش برای افزایش ظرفیت انرژی باتری ها، دانشمندان قبلاً با جایگزینی کربن با سیلیکون آزمایش کرده اند که می تواند لیتیوم بسیار بیشتری را در خود نگه دارد: چهار اتم لیتیوم برای هر اتم سیلیکون. با این حال، در هنگام شارژ، سیلیکون به شدت منبسط و منقبض می شود که باعث تکه تکه شدن ماده آند و در نتیجه از دست دادن سریع ظرفیت شارژ باتری می شود.

در حال حاضر، نرخ شارژ کم باتری با شکل ورقه‌های گرافن توضیح داده می‌شود: در مقایسه با ضخامت (که تنها یک اتم را تشکیل می‌دهند)، طول آن‌ها بسیار زیاد است. در حین شارژ، یون لیتیوم باید به لبه های بیرونی صفحات گرافن برود و سپس از بین آنها عبور کرده و در جایی در داخل متوقف شود. از آنجایی که مدت زمان زیادی طول می کشد تا لیتیوم به وسط یک ورقه گرافن برسد، چیزی شبیه جمجمه یونی در لبه ها مشاهده می شود.

همانطور که گفته شد، تیم تحقیقاتی Kuong با اتخاذ دو فناوری مختلف، هر دوی این مشکلات را حل کرده است. ابتدا برای اطمینان از پایداری سیلیکون و در نتیجه حفظ حداکثر ظرفیت شارژ باتری، خوشه‌های سیلیکونی را بین صفحات گرافن قرار دادند. این امکان افزایش تعداد یون‌های لیتیوم در الکترود را فراهم کرد، در حالی که همزمان از انعطاف‌پذیری ورقه‌های گرافن برای محاسبه تغییرات حجم سیلیکون در طول شارژ/دشارژ باتری استفاده می‌کرد.

کونگ می گوید: «اکنون هر دو پرنده را با یک سنگ می کشیم. به لطف سیلیکون، ما چگالی انرژی بالاتری دریافت می کنیم و در هم تنیدگی لایه ها اتلاف توان ناشی از انبساط / انقباض سیلیکون را کاهش می دهد. حتی با از بین رفتن خوشه های سیلیکونی، خود سیلیکون به جای دیگری نمی رود."

علاوه بر این، محققان از فرآیند اکسیداسیون شیمیایی برای ایجاد حفره های مینیاتوری (10 تا 20 نانومتری) در صفحات گرافن ("نقص در صفحه") استفاده کردند که یون های لیتیوم را "دسترسی سریع" به داخل آند و سپس ذخیره در آن در نتیجه واکنش با سیلیکون. این باعث کاهش 10 برابری زمان مورد نیاز برای شارژ باتری شده است.

تاکنون تمام تلاش‌ها برای بهینه‌سازی عملکرد باتری روی یکی از اجزای آن - آند متمرکز شده است. در مرحله بعدی تحقیقات، دانشمندان قصد دارند تغییرات کاتد را به همین منظور مطالعه کنند. علاوه بر این، آنها می خواهند سیستم الکترولیت را به گونه ای تغییر دهند که باتری بتواند به طور خودکار (و برگشت پذیر) در دمای بالا خاموش شود - یک مکانیسم محافظتی مشابه می تواند هنگام استفاده از باتری در وسایل نقلیه الکتریکی مفید باشد.

به گفته سازندگان، در شکل فعلی، فناوری جدید باید طی سه تا پنج سال آینده وارد بازار شود. مقاله ای در مورد نتایج تحقیق و توسعه باتری های ذخیره سازی جدید در مجله "Advanced Energy Materials" منتشر شد.

در اوایل دهه 90، یک گام بزرگ در فناوری باتری رخ داد - اختراع دستگاه های ذخیره انرژی لیتیوم یون. این به ما اجازه داد تا گوشی های هوشمند و حتی خودروهای الکتریکی را به شکلی که در حال حاضر وجود دارند ببینیم، اما از آن زمان تاکنون هیچ چیز جدی در این زمینه اختراع نشده است، این نوع هنوز در الکترونیک استفاده می شود.

زمانی باتری های لیتیوم یونی با ظرفیت افزایش یافته و فقدان "اثر حافظه" واقعاً پیشرفتی در فناوری بودند، اما اکنون دیگر نمی توانند با افزایش بار مقابله کنند. گوشی های هوشمند بیشتری با ویژگی های جدید و مفیدی وجود دارند که در نهایت بار باتری را افزایش می دهند. در عین حال، وسایل نقلیه الکتریکی با چنین باتری هایی هنوز هم بسیار گران و ناکارآمد هستند.

برای اینکه گوشی های هوشمند برای مدت طولانی کار کنند و از نظر اندازه کوچک باقی بمانند، به باتری های جدیدی نیاز است.

باتری های الکترود مایع

یکی از تلاش های جالب برای حل مشکلات باتری های سنتی، توسعه باتری های "جریان" با الکترولیت مایع است. اصل کار چنین باتری هایی مبتنی بر تعامل دو مایع شارژ شده است که توسط پمپ ها از طریق یک سلول هدایت می شود، جایی که جریان الکتریکی تولید می شود. مایعات در این سلول با هم مخلوط نمی شوند، بلکه توسط غشایی که ذرات باردار از آن عبور می کنند، مانند باتری های معمولی جدا می شوند.

باتری را می توان به روش معمول شارژ کرد، یا با یک الکترولیت شارژ شده جدید پر کرد، در این مورد این روش فقط چند دقیقه طول می کشد، مانند ریختن بنزین در مخزن بنزین. این روش در درجه اول برای یک ماشین مناسب است، اما برای الکترونیک نیز مفید است.

باتری های سدیمی

معایب اصلی باتری‌های لیتیوم یونی هزینه بالای مواد، تعداد نسبتاً کم چرخه‌های تخلیه-شارژ و خطر آتش‌سوزی است. از این رو دانشمندان مدت هاست که در تلاش برای بهبود این فناوری بوده اند.

در آلمان، اکنون کار روی باتری های سدیمی در حال انجام است، که باید بادوام تر، ارزان تر و جادارتر شوند. الکترودهای باتری جدید از لایه‌های مختلف مونتاژ می‌شوند که امکان شارژ سریع باتری را فراهم می‌کند. در حال حاضر، جستجو برای طراحی الکترود قابل اعتمادتر در حال انجام است، پس از آن می توان نتیجه گرفت که آیا این فناوری وارد تولید می شود یا توسعه دیگری بهتر خواهد بود.

باتری های لیتیوم سولفور

توسعه جدید دیگر باتری های لیتیوم-گوگرد است. قرار است در این باتری ها از کاتد گوگرد استفاده شود که به معنای کاهش چشمگیر هزینه باتری خواهد بود. این باتری ها در حال حاضر در آمادگی بالایی هستند و ممکن است به زودی وارد تولید سری شوند.

در تئوری، باتری‌های لیتیوم-گوگرد می‌توانند ظرفیت انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی داشته باشند که قبلاً به حد مجاز خود رسیده‌اند. بسیار مهم است که باتری های لیتیوم سولفور را می توان به طور کامل دشارژ کرد و به طور نامحدود در حالت کاملاً دشارژ و بدون اثر حافظه ذخیره کرد. گوگرد محصول ثانویه پالایش نفت است، باتری های جدید حاوی فلزات سنگین (نیکل و کبالت) نیستند، ترکیب جدید باتری ها سازگارتر با محیط زیست خواهد بود و باتری ها راحت تر دفع می شوند.

به زودی مشخص خواهد شد که کدام فناوری امیدوارکننده‌ترین و جایگزین باتری‌های لیتیوم یون قدیمی خواهد بود.

در این میان شما را به آشنایی با این حرفه محبوب دعوت می کنیم.

مصرف انرژی ویژه باتری های لیتیوم یون مدرن به 200 وات * ساعت در کیلوگرم می رسد. به طور متوسط، این تنها برای 150 کیلومتر بدون شارژ مجدد کافی است، که نمی تواند با مسافت پیموده شده در یک بار سوخت گیری خودروها با موتور احتراق داخلی معمولی مقایسه شود. برای اینکه وسایل نقلیه الکتریکی به جریان اصلی تبدیل شوند، باید مسافت پیموده شده قابل مقایسه داشته باشند. برای انجام این کار، باید ظرفیت انرژی ویژه باتری ها را به حداقل 350-400 W * h / kg برسانید. انواع امیدوار کننده باتری هایی که در زیر توضیح داده شده است قادر به ارائه آن خواهند بود، اگرچه در هر مورد "اما" وجود دارد.

باتری های لیتیوم-گوگرد با ظرفیت خاص زیادی متمایز می شوند، که نتیجه این واقعیت است که در فرآیند یک واکنش شیمیایی، هر مولکول نه یک، بلکه دو الکترون آزاد را از دست می دهد. انرژی ویژه نظری آنها 2600 وات * ساعت بر کیلوگرم است. علاوه بر این، چنین باتری هایی به طور قابل توجهی ارزان تر و ایمن تر از باتری های لیتیوم یون هستند.

باتری پایه Li-S از یک آند لیتیوم، یک کاتد گوگرد کربن و یک الکترولیت تشکیل شده است که یون های لیتیوم از آن عبور می کنند. در حین تخلیه، یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که طی آن لیتیوم آند به سولفید لیتیوم تبدیل می شود که روی کاتد رسوب می کند. ولتاژ باتری بسته به میزان تخلیه باتری بین 1.7 تا 2.5 ولت است. پلی سولفیدهای لیتیوم تولید شده در طول واکنش بر ولتاژ باتری تأثیر می گذارد.

واکنش شیمیایی در باتری با تعدادی عوارض جانبی منفی همراه است. هنگامی که گوگرد کاتد یون های لیتیوم را از الکترولیت جذب می کند، سولفید لیتیوم Li 2 S تشکیل می شود که روی کاتد رسوب می کند. در عین حال حجم آن 76 درصد افزایش می یابد. در طول شارژ، یک واکنش معکوس رخ می دهد که منجر به کاهش اندازه کاتد می شود. در نتیجه، کاتد بارهای مکانیکی قابل توجهی را تجربه می کند که منجر به آسیب و از دست دادن تماس آن با کلکتور جریان می شود. علاوه بر این، Li 2 S تماس الکتریکی در کاتد بین گوگرد و کربن (مسیری که الکترون ها طی می کنند) را تخریب می کند و از جریان یافتن یون های لیتیوم به سطح گوگرد جلوگیری می کند.

مشکل دیگر با این واقعیت مرتبط است که در طی واکنش بین گوگرد و لیتیوم، Li 2 S بلافاصله تشکیل نمی شود، بلکه از طریق یک سری دگرگونی ها، که طی آن پلی سولفیدها تشکیل می شوند (Li 2 S 8، Li 2 S 6، و غیره) . اما اگر گوگرد و Li 2 S در الکترولیت نامحلول باشند، برعکس، پلی سولفیدها حل می شوند. این منجر به کاهش تدریجی میزان گوگرد روی کاتد می شود. مزاحمت دیگر، ظاهر ناهمواری سطح آند لیتیوم در هنگام عبور جریان های تخلیه و شارژ زیاد است. همه اینها با هم، منجر به این واقعیت شد که چنین باتری نمی تواند بیش از 50-60 چرخه تخلیه شارژ را تحمل کند و آن را برای استفاده عملی نامناسب می کند.

با این حال، آخرین پیشرفت های آمریکایی ها از آزمایشگاه ملی. لارنس در برکلی توانست بر این کاستی ها غلبه کند. آنها یک کاتد منحصر به فرد ساخته شده از یک ماده نانوکامپوزیت (گرافن و اکسید گوگرد) ایجاد کردند که یکپارچگی آن با استفاده از یک پوشش پلیمری الاستیک حفظ می شود. بنابراین تغییر در ابعاد کاتد در حین تخلیه-شارژ منجر به تخریب آن نمی شود. یک سورفکتانت (سورفکتانت) برای محافظت از گوگرد در برابر انحلال استفاده می شود. از آنجایی که سورفکتانت کاتیونی است (یعنی به سطح لایه گوگرد جذب می شود)، از واکنش آنیون های لیتیوم با گوگرد جلوگیری نمی کند، اما اجازه نمی دهد پلی سولفیدهای تشکیل شده در این حالت در الکترولیت حل شوند و آنها را حفظ کنند. زیر لایه آن یک الکترولیت جدید نیز بر اساس یک مایع یونی ساخته شده است که پلی سولفیدها در آن حل نمی شوند. مایع یونی و بسیار ایمن تر - نمی سوزد و به سختی تبخیر می شود.

در نتیجه تمام نوآوری های توصیف شده، عملکرد باتری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. انرژی ویژه اولیه آن 500 W * h / kg است که بیش از دو برابر باتری های Li-ion است. پس از 1500 چرخه شارژ 20 ساعته (C = 0.05)، انرژی ویژه آن به سطح یک باتری لیتیوم یونی تازه کاهش یافت. پس از 1500 چرخه 1 ساعته (C = 1)، کاهش 40-50٪ بود، اما باتری هنوز کار می کرد. هنگامی که باتری با قدرت بالا آزمایش شد، آن را در معرض یک چرخه تخلیه-شارژ 10 دقیقه ای قرار داد (C = 6)، حتی پس از 150 چرخه از این قبیل، انرژی ویژه آن از یک باتری لیتیوم یون تازه فراتر رفت.

قیمت تخمینی چنین باتری Li-S برای هر کیلووات ساعت ظرفیت بیش از 100 دلار نخواهد بود. بسیاری از نوآوری های ارائه شده توسط تیم تحقیقاتی برکلی را می توان برای بهبود باتری های لیتیوم یون موجود استفاده کرد. برای ایجاد یک طراحی کاربردی باتری LiS، توسعه دهندگان به دنبال شرکای هستند که توسعه نهایی باتری را تامین کنند.

باتری های لیتیوم تیتانات

بزرگ‌ترین مشکل باتری‌های لیتیوم یونی مدرن، راندمان پایین است، در درجه اول به این دلیل که مواد ذخیره‌سازی انرژی تنها ۲۵ درصد از حجم باتری را اشغال می‌کنند. 75٪ باقیمانده مواد بی اثر هستند: محفظه، فیلم های رسانا، چسب و غیره. به همین دلیل، باتری های مدرن بسیار حجیم و گران هستند. فن آوری جدید شامل کاهش قابل توجه مواد "ضایعات" در طراحی باتری است.

جدیدترین باتری‌های لیتیوم تیتانات به غلبه بر یکی دیگر از اشکالات باتری‌های Li-ion کمک کرده‌اند - شکنندگی و زمان شارژ مجدد آنها. در جریان تحقیقات، مشخص شد که هنگام شارژ شدن با جریان‌های بالا، یون‌های لیتیوم مجبور می‌شوند بین ریز صفحه‌های گرافیتی "water" کنند و در نتیجه به تدریج الکترودها را از بین ببرند. بنابراین، گرافیت در الکترودها با ساختارهای نانوذرات لیتیوم تیتانات جایگزین شد. آنها در حرکت یون ها دخالت نمی کنند، که در نهایت منجر به افزایش فوق العاده عمر مفید - بیش از 15000 چرخه در 12 سال شد! زمان شارژ از 6-8 ساعت به 10-15 دقیقه کاهش می یابد. مزایای اضافی پایداری حرارتی و سمیت کمتر است.

کارشناسان تخمین می زنند که باتری های جدید دارای چگالی انرژی دو برابر بهترین باتری های لیتیوم یون موجود امروزی خواهند بود. بنابراین با برد ثابت خودروی برقی، باتری آن سبک‌تر می‌شود و با همان وزن، برد به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. اگر باتری جدید بتوان به تولید رسید، مسافت پیموده شده خودروهای برقی جمع و جور (که نمی توانند به باتری بزرگ و سنگین مجهز شوند) به طور متوسط ​​با یک بار شارژ از 150 کیلومتر به 300 کیلومتر افزایش می یابد. در همان زمان، باتری های جدید نصف قیمت باتری های فعلی خواهند بود - فقط 250 دلار در هر کیلو وات در ساعت.

باتری های هوای لیتیومی

فناوری هنوز متوقف نشده است و دانشمندان در حال کار برای ایجاد یک طرح عملی برای باتری لیتیوم-هوا (LiO 2) هستند. ظرفیت انرژی نظری آن 8-10 برابر بیشتر از لیتیوم یون است. به منظور کاهش وزن باتری، در عین حفظ یا حتی افزایش ظرفیت آن، دانشمندان یک راه حل رادیکال را پیشنهاد کرده اند - رد کاتد سنتی: لیتیوم به طور مستقیم با اکسیژن هوا تعامل خواهد داشت. به لطف کاتد هوای کاتالیزوری، انتظار می رود که نه تنها ظرفیت انرژی باتری را افزایش دهد، بلکه حجم و وزن آن را نیز تقریباً به همان میزان کاهش دهد.

برای تولید انبوه، فن آوری لیتیوم-هوا نیازمند حل بسیاری از مشکلات فنی و علمی است، از جمله ایجاد یک کاتالیزور کارآمد، یک آند لیتیوم و یک الکترولیت جامد پایدار که قادر به کار در دماهای پایین (تا 50- درجه سانتیگراد) باشد. علاوه بر این، لازم است تکنیکی برای اعمال یک کاتالیزور بر روی سطح کاتد ایجاد شود، غشایی ایجاد شود که از نفوذ اکسیژن به آند لیتیوم جلوگیری کند، و همچنین روش‌هایی برای ساخت الکترودهای متخلخل خاص توسعه دهد.

• ترجمه

در سال‌های اخیر، ما اغلب شنیده‌ایم که تقریباً - و بشریت باتری‌هایی دریافت می‌کند که می‌توانند برای هفته‌ها یا حتی ماه‌ها، در حالی که بسیار فشرده و سریع شارژ می‌شوند، دستگاه‌های ما را تغذیه کنند. اما همه چیز هنوز وجود دارد. چرا باتری های کارآمدتر هنوز ظاهر نشده اند و چه پیشرفت هایی در جهان وجود دارد، در زیر بخوانید.

امروزه، تعدادی از استارت‌آپ‌ها به ساخت باتری‌های جمع‌وجور ایمن با هزینه‌های ذخیره انرژی حدود 100 دلار در هر کیلووات ساعت نزدیک شده‌اند. این امر مشکل تامین برق 24 ساعته را حل می کند و در بسیاری از موارد به منابع انرژی تجدیدپذیر روی می آورد و در عین حال وزن و هزینه خودروهای برقی را کاهش می دهد.

اما همه این پیشرفت‌ها به کندی به سطوح تجاری نزدیک می‌شوند، که اجازه نمی‌دهد انتقال از منابع فسیلی به منابع تجدیدپذیر تسریع شود. حتی ایلان ماسک که عاشق وعده های جسورانه است، مجبور شد اعتراف کند که بخش خودروسازی او به جای ایجاد فناوری های نوآورانه، به تدریج باتری های لیتیوم یونی را بهبود می بخشد.

بسیاری از توسعه دهندگان بر این باورند که باتری های آینده شکل، ساختار و ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی در مقایسه با لیتیوم یون خواهند داشت که در دهه گذشته جایگزین فناوری های دیگر در بسیاری از بازارها شده است.

بنیانگذار SolidEnergy Systems، Qichao Hu، که ده سال است باتری لیتیوم-فلزی را توسعه داده است (آند مانند لیتیوم یون سنتی فلز است نه گرافیت)، استدلال می کند که مشکل اصلی در ایجاد فناوری های ذخیره انرژی جدید این است. که با بهبود یک پارامتر، بقیه بدتر می شوند. علاوه بر این، امروزه پیشرفت‌های زیادی وجود دارد که نویسندگان آن با صدای بلند ادعای برتری خود را دارند، به طوری که برای استارت‌آپ‌ها متقاعد کردن سرمایه‌گذاران بالقوه و جمع‌آوری بودجه کافی برای ادامه تحقیقات بسیار دشوار است.

شارژر بیو

این دستگاه به شکل یک گلدان گیاهی مخصوص است که از انرژی فتوسنتز برای شارژ گجت های موبایل استفاده می کند. علاوه بر این، در حال حاضر برای فروش در دسترس است. این دستگاه می تواند دو تا سه جلسه شارژ در روز با ولتاژ 3.5 ولت و آمپر 0.5 A ارائه دهد. مواد آلی موجود در گلدان با آب و محصولات فتوسنتز تعامل می کنند و در نتیجه انرژی کافی برای شارژ گوشی های هوشمند و تبلت ها دارند.

نخلستان های کاملی را تصور کنید که در آنها هر درخت در بالای چنین وسیله ای کاشته شده است، فقط بزرگتر و قدرتمندتر. این انرژی "رایگان" را به خانه های اطراف عرضه می کند و دلیل قانع کننده ای برای محافظت از جنگل ها در برابر جنگل زدایی خواهد بود.

باتری با نانوسیم طلا

دانشگاه کالیفرنیا در ایروین باتری های نانوسیمی ساخته است که می توانند بیش از 200000 چرخه شارژ را در مدت سه ماه بدون هیچ نشانه ای از کاهش ظرفیت تحمل کنند. این به طور چشمگیری چرخه عمر سیستم های قدرت را در سیستم های حیاتی ماموریت و لوازم الکترونیکی مصرفی افزایش می دهد.

نانومتخصصان هزاران بار نازک‌تر از موی انسان آینده‌ای روشن را نوید می‌دهند. در توسعه خود، دانشمندان از سیم های طلایی در غلاف دی اکسید منگنز استفاده کردند که در الکترولیت ژل مانند قرار می گیرد. این امر از تخریب نانوسیم ها با هر چرخه شارژ جلوگیری می کند.

باتری های منیزیمی

تویوتا روی استفاده از منیزیم در باتری ها کار می کند. این امکان ایجاد ماژول های کوچک و محکم را فراهم می کند که نیازی به محفظه های محافظ ندارند. در دراز مدت، چنین باتری هایی می توانند ارزان تر و فشرده تر از باتری های لیتیوم یون باشند. درست است، این به این زودی اتفاق نخواهد افتاد. اگر اتفاق بیفتد.

باتری های حالت جامد

باتری های لیتیوم یونی معمولی از یک الکترولیت مایع و قابل اشتعال به عنوان وسیله ای برای انتقال ذرات باردار بین الکترودها استفاده می کنند که به تدریج باتری را تخریب می کند.

آنها از این عیب محروم هستند حالت جامدباتری‌های لیتیوم یونی که امروزه یکی از امیدوارکننده‌ترین باتری‌ها محسوب می‌شوند. به طور خاص، توسعه دهندگان تویوتا یک مقاله علمی منتشر کرده اند که در آن آزمایش های خود را با هادی های فوق یونی سولفید شرح داده اند. اگر آنها موفق شوند، باتری ها در سطح ابرخازن ها ایجاد می شوند - آنها فقط در هفت دقیقه به طور کامل شارژ یا تخلیه می شوند. ایده آل برای وسایل نقلیه الکتریکی و به لطف ساختار حالت جامد، چنین باتری هایی بسیار پایدارتر و ایمن تر از باتری های لیتیوم یون مدرن خواهند بود. محدوده دمای عملیاتی آنها نیز افزایش می یابد - از -30 تا +100 درجه سانتیگراد.

دانشمندان MIT همچنین با سامسونگ برای توسعه باتری‌های حالت جامد همکاری کرده‌اند که عملکرد بهتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی امروزی دارند. آنها ایمن تر هستند، مصرف انرژی آنها 20-30٪ بیشتر است، و علاوه بر این، آنها می توانند صدها هزار چرخه شارژ را تحمل کنند. علاوه بر این، آنها خطر آتش سوزی ندارند.

سلول های سوختی

بهبود سلول‌های سوختی می‌تواند منجر به شارژ تلفن‌های هوشمند یک‌بار در هفته و پرواز پهپادها برای بیش از یک ساعت شود. دانشمندان دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (کره جنوبی) سلولی ساخته اند که در آن عناصر فولادی ضد زنگ متخلخل با الکترولیت لایه نازک و الکترودهایی با حداقل ظرفیت گرمایی ترکیب می شوند. طراحی ثابت شده است که قابل اعتمادتر است و عمر طولانی تری نسبت به باتری های لیتیوم یون دارد. این امکان وجود دارد که این توسعه در محصولات تجاری، در درجه اول در گوشی های هوشمند سامسونگ اجرا شود.

باتری ماشین گرافنی

بسیاری از کارشناسان معتقدند که آینده متعلق به باتری های گرافن است. Graphenano باتری Grabat را توسعه داده است که می تواند برد یک وسیله نقلیه الکتریکی تا 800 کیلومتر را فراهم کند. توسعه دهندگان ادعا می کنند که باتری فقط در چند دقیقه شارژ می شود - نرخ شارژ / دشارژ 33 برابر سریعتر از لیتیوم یون است. تخلیه سریع به ویژه برای اطمینان از دینامیک شتاب بالا در خودروهای الکتریکی مهم است.

ظرفیت Grabat 2.3 ولتی بسیار زیاد است: حدود 1000 Wh / kg. برای مقایسه، بهترین نمونه های باتری های لیتیوم یون دارای سطح 180 Wh / kg هستند.

میکرو ابرخازن های لیزری

دانشمندان دانشگاه رایس در توسعه میکرو ابرخازن ها پیشرفت کرده اند. یکی از معایب اصلی این فناوری هزینه بالای ساخت است، اما استفاده از لیزر می تواند منجر به کاهش قابل توجه هزینه شود. الکترودهای خازن ها با لیزر از یک ورق پلاستیکی برش داده می شوند که شدت کار تولید را تا حد زیادی کاهش می دهد. این باتری‌ها می‌توانند 50 برابر سریع‌تر از باتری‌های لیتیوم یونی شارژ شوند و نسبت به ابرخازن‌هایی که امروزه استفاده می‌شوند کندتر تخلیه می‌شوند. علاوه بر این، آنها قابل اعتماد هستند، در طول آزمایشات آنها حتی پس از 10 هزار خم شدن به کار خود ادامه دادند.

باتری های یون سدیم

گروهی از محققان و شرکت‌های فرانسوی RS2E باتری‌های یون سدیم لپ‌تاپ ساخته‌اند که از نمک معمولی استفاده می‌کنند. اصل عملیات و فرآیند ساخت مخفی نگه داشته می شود. ظرفیت یک باتری 6.5 سانتی متری 90 وات ساعت بر کیلوگرم است که با باتری های لیتیوم یون جرمی قابل مقایسه است، اما نمی تواند بیش از 2 هزار چرخه شارژ را تحمل کند.

انباشته کننده های فوم

یکی دیگر از روند توسعه فناوری های ذخیره انرژی، ایجاد ساختارهای سه بعدی است. به طور خاص، Prieto باتری را بر اساس یک بستر فلزی فوم (مس) ایجاد کرده است. هیچ الکترولیت قابل اشتعالی وجود ندارد، چنین باتری دارای منبع طولانی است، سریعتر شارژ می شود، چگالی آن پنج برابر بیشتر است، و همچنین ارزان تر و کوچکتر از باتری های مدرن است. پریتو امیدوار است ابتدا توسعه خود را در لوازم الکترونیکی پوشیدنی پیاده کند، اما استدلال می کند که این فناوری می تواند به طور گسترده تری گسترش یابد: در تلفن های هوشمند و حتی در اتومبیل ها استفاده شود.

نانو زرده با قابلیت شارژ سریع

توسعه دیگر مؤسسه فناوری ماساچوست - نانوذرات برای باتری ها: یک پوسته توخالی ساخته شده از دی اکسید تیتانیوم، که در داخل آن (مانند زرده در تخم مرغ) پرکننده ای ساخته شده از پودر آلومینیوم، اسید سولفوریک و اکسی سولفات تیتانیوم است. ابعاد پرکننده را می توان مستقل از بدنه آن تغییر داد. استفاده از چنین ذرات باعث شد تا ظرفیت باتری های مدرن سه برابر شود و مدت زمان شارژ کامل به شش دقیقه کاهش یابد. میزان تخریب باتری نیز کاهش یافته است. گیلاس روی کیک - هزینه کم تولید و سهولت پوسته پوسته شدن.

باتری یون آلومینیومی با شارژ فوق العاده سریع

استنفورد یک باتری یون آلومینیومی ساخته است که در حدود یک دقیقه به طور کامل شارژ می شود. در این مورد، خود باتری دارای انعطاف پذیری خاصی است. مشکل اصلی این است که ظرفیت ویژه باتری‌های لیتیوم یون تقریباً نصف است. اگرچه، با توجه به سرعت شارژ، این چندان مهم نیست.

باتری آلفا - دو هفته روی آب

اگر پیگمنت فوجی موفق به تکمیل باتری آلفای خود شود، شاهد ظهور حامل های انرژی خواهیم بود که ظرفیت آن ها 40 برابر ظرفیت لیتیوم-یون است. علاوه بر این، باتری قابل شارژ است پر کردن آب، ساده یا شور. به گفته سازندگان، با یک بار شارژ، آلفا می تواند تا دو هفته کار کند. این امکان وجود دارد که چنین باتری هایی ابتدا روی خودروهای الکتریکی ظاهر شوند. پمپ بنزینی را تصور کنید که برای تهیه آب در آنجا توقف می کنید.

باتری هایی که می توان آنها را مانند کاغذ تا کرد

uBeam - شارژ از طریق هوا

uBeam یک مفهوم جالب برای انتقال انرژی به یک دستگاه تلفن همراه با استفاده از امواج فراصوت است. این شارژر امواج مافوق صوت را ساطع می کند که توسط گیرنده روی گجت گرفته شده و به برق تبدیل می شود. ظاهراً این اختراع بر اساس اثر پیزوالکتریک است: گیرنده تحت تأثیر امواج فراصوت طنین انداز می شود و ارتعاشات آن انرژی تولید می کند.

دانشمندان دانشگاه کوئین مری لندن نیز مسیر مشابهی را دنبال کردند. آنها نمونه اولیه یک گوشی هوشمند را ساخته اند که صرفاً به دلیل نویزهای خارجی از جمله صدای افراد شارژ می شود.

StoreDot

شارژر StoreDot توسط یک استارت آپ که از دانشگاه تل آویو ظهور کرده است، ساخته شده است. نمونه آزمایشگاهی توانست باتری سامسونگ گلکسی 4 را در 30 ثانیه شارژ کند. گزارش شده است که این دستگاه بر پایه نیمه هادی های آلی ساخته شده از پپتیدها ساخته شده است. در پایان سال 2017، یک باتری جیبی با قابلیت شارژ گوشی های هوشمند در پنج دقیقه به فروش خواهد رسید.

پنل خورشیدی شفاف

آلکاتل یک نمونه اولیه برای یک پنل خورشیدی شفاف ساخته است که در بالای صفحه نمایش قرار می گیرد تا با قرار دادن آن در زیر نور خورشید، گوشی شارژ شود. البته این مفهوم از نظر زاویه دید و قدرت شارژ کامل نیست. اما ایده زیباست.

یک سال بعد، در سال 2014، Tag Heuer نسخه جدیدی از تلفن خودنمایی Tag Heuer Meridiist Infinite را معرفی کرد که قرار بود یک پنل خورشیدی شفاف بین شیشه بیرونی و خود نمایشگر داشته باشد. درست است، مشخص نیست که آیا به تولید رسیده است یا خیر.

برچسب‌ها: افزودن برچسب

اولین منبع فعلی را در نظر بگیرید که توسط ولتا اختراع شد و به نام گالوانی نامگذاری شد.

یک واکنش منحصرا ردوکس می تواند به عنوان منبع جریان در هر باتری عمل کند. در واقع، این دو واکنش هستند: یک اتم با از دست دادن یک الکترون اکسید می شود. دریافت الکترون را ترمیم می گویند. یعنی واکنش ردوکس در دو نقطه انجام می شود: کجا و کجا الکترون ها جریان دارند.

دو فلز (الکترود) در محلول آبی نمک های اسید سولفوریک خود غوطه ور می شوند. فلز یک الکترود اکسید شده و دیگری احیا می شود. دلیل این واکنش این است که عناصر یک الکترود، الکترون‌ها را قوی‌تر از عناصر الکترود دیگر جذب می‌کنند. در یک جفت الکترود فلزی روی - مس، یون (و نه یک ترکیب خنثی) مس توانایی بیشتری برای جذب الکترون دارد، بنابراین در صورت وجود امکان، الکترون به میزبان قوی‌تری می‌رود و یون روی ربوده می‌شود. توسط محلول اسید به یک الکترولیت (برخی ماده رسانای یونی) تبدیل می شود. انتقال الکترون ها در امتداد یک هادی از طریق یک شبکه قدرت خارجی انجام می شود. به موازات حرکت یک بار منفی در جهت مخالف، یون های دارای بار مثبت (آنیون ها) از طریق الکترولیت حرکت می کنند (ویدیو را ببینید)

در تمام CIT قبلی Li-ion، الکترولیت یک شرکت کننده فعال در واکنش های در حال انجام است.
اصل عملکرد باتری سرب اسیدی را ببینید

خطای گالوانی

الکترولیت همچنین یک رسانای جریان است، تنها از نوع دوم، که در آن حرکت بار توسط یون ها انجام می شود. بدن انسان دقیقاً چنین رسانایی است و ماهیچه ها به دلیل حرکت آنیون ها و کاتیون ها منقبض می شوند.
بنابراین L. Galvani به طور تصادفی دو الکترود را از طریق یک الکترولیت طبیعی - یک قورباغه آماده - متصل کرد.

ویژگی های HIT

ظرفیت - تعداد الکترون ها (بار الکتریکی) که می توان از دستگاه متصل عبور داد تا زمانی که باتری کاملاً تخلیه شود [Q] یا
ظرفیت کل باتری از ظرفیت های کاتد و آند تشکیل می شود: آند چند الکترون می تواند بدهد و کاتد چند الکترون می تواند دریافت کند. به طور طبیعی، محدود کننده کوچکتر از دو ظرف خواهد بود.

ولتاژ - اختلاف پتانسیل. مشخصه انرژی، نشان می دهد که یک بار واحد چه نوع انرژی را هنگام رفتن از آند به کاتد آزاد می کند.

انرژی کاری است که می توان روی یک HIT معین انجام داد تا زمانی که به طور کامل تخلیه شود [J] یا
توان - نرخ آزاد شدن انرژی یا کار در واحد زمان
دوام یا راندمان کولن- چند درصد از ظرفیت به طور جبران ناپذیری در طول چرخه شارژ-تخلیه از دست می رود.

همه ویژگی‌ها از نظر تئوری پیش‌بینی می‌شوند، با این حال، به دلیل بسیاری از عوامل دشوار برای در نظر گرفتن، بیشتر ویژگی‌ها به صورت تجربی پالایش می‌شوند. بنابراین همه آنها را می توان برای یک مورد ایده آل بر اساس ترکیب شیمیایی پیش بینی کرد، اما ساختار کلان تاثیر زیادی بر ظرفیت و قدرت و دوام دارد.

بنابراین دوام و ظرفیت تا حد زیادی به سرعت شارژ / دشارژ و ساختار کلان الکترود بستگی دارد.
بنابراین، باتری نه با یک پارامتر، بلکه با یک مجموعه کامل برای حالت های مختلف مشخص می شود. به عنوان مثال، ولتاژ باتری (انرژی انتقال یک بار واحد **) را می توان به عنوان اولین تقریب (در مرحله ارزیابی چشم انداز مواد) از مقادیر تخمین زد. انرژی های یونیزاسیوناتم های مواد فعال در طول اکسیداسیون و احیا. اما معنای واقعی تفاوت شیمیایی است. پتانسیل ها، برای اندازه گیری آنها، و همچنین برای گرفتن منحنی های شارژ / تخلیه، یک سلول آزمایشی با یک الکترود آزمایش شده و یک مرجع مونتاژ می شود.

برای الکترولیت های مبتنی بر محلول های آبی، یک الکترود هیدروژن استاندارد استفاده می شود. برای لیتیوم یون، لیتیوم فلزی است.

* انرژی یونیزاسیون انرژی است که باید به الکترون داده شود تا پیوند بین آن و اتم شکسته شود. یعنی با علامت مخالف گرفته می شود، نشان دهنده انرژی پیوند است و سیستم همیشه به دنبال به حداقل رساندن انرژی پیوند است.
** انرژی یک انتقال واحد - انرژی انتقال یک بار اولیه 1.6e-19 [Q] * 1 [V] = 1.6e-19 [J] یا 1eV (الکترونولت)

باتری های لیتیوم یون

<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.
همانطور که قبلا ذکر شد، در باتری های لیتیوم یون، الکترولیت مستقیماً در واکنش شرکت نمی کند. دو واکنش اصلی در کجا انجام می شود: اکسیداسیون و کاهش، و تعادل بار چگونه برابر می شود؟
این واکنش ها مستقیماً بین لیتیوم در آند و اتم فلز در ساختار کاتد انجام می شود. همانطور که در بالا ذکر شد، پیدایش باتری های لیتیوم یون فقط کشف ترکیبات جدید برای الکترودها نیست، بلکه کشف یک اصل جدید در عملکرد CPS است:
الکترونی که ضعیف به آند متصل است در امتداد هادی خارجی به کاتد پرتاب می شود.
در کاتد، یک الکترون به مدار فلز می افتد و الکترون چهارم را که عملاً توسط اکسیژن از آن گرفته می شود، جبران می کند. اکنون الکترون فلزی در نهایت به اکسیژن متصل می‌شود و میدان الکتریکی حاصل، یون لیتیوم را به شکاف بین لایه‌های اکسیژن می‌کشد. بنابراین، انرژی عظیم باتری‌های لیتیوم یونی با این واقعیت به دست می‌آید که نه با بازیابی 1،2 الکترون خارجی، بلکه با بازیابی الکترون‌های عمیق‌تر سروکار دارد. به عنوان مثال، برای یک کوبولت، الکترون چهارم.
یون های لیتیوم به دلیل برهمکنش ضعیف (حدود 10 کیلوژول بر مول) (واندروالس) با ابرهای الکترونی اطراف اتم های اکسیژن (قرمز) در کاتد نگه داشته می شوند.

لی سومین عنصر در B است، وزن اتمی کم و اندازه کوچکی دارد. با توجه به این واقعیت که لیتیوم شروع می شود، علاوه بر این، فقط ردیف دوم، اندازه اتم خنثی بسیار بزرگ است، در حالی که اندازه یون بسیار کوچک است، کوچکتر از اندازه های اتم های هلیوم و هیدروژن، که آن را عملا غیر قابل تعویض می کند. در طرح LIB یکی دیگر از پیامدهای بالا: الکترون خارجی (2s1) ارتباط ناچیزی با هسته دارد و می تواند به راحتی از بین برود (این در این واقعیت بیان می شود که لیتیوم دارای کمترین پتانسیل نسبت به الکترود هیدروژن P = -3.04V است).

اجزای اصلی LIB

الکترولیت

برخلاف باتری‌های سنتی، الکترولیت همراه با جداکننده مستقیماً در واکنش شرکت نمی‌کند، بلکه تنها انتقال یون‌های لیتیوم را فراهم می‌کند و اجازه انتقال الکترون را نمی‌دهد.
الزامات الکترولیت:
- هدایت یونی خوب
- الکترونیکی پایین
- کم هزینه
- سبک وزن
- غیر سمی
- قابلیت کار در محدوده ولتاژ و دمای از پیش تعیین شده
- جلوگیری از تغییرات ساختاری در الکترودها (جلوگیری از کاهش ظرفیت)
در این بررسی، من اجازه خواهم داد تا به موضوع الکترولیت ها بپردازم، که از نظر فنی دشوار است، اما برای موضوع ما چندان مهم نیست. به طور عمده، محلول LiFP 6 به عنوان یک الکترولیت استفاده می شود.
اگرچه الکترولیت دارای جداکننده به عنوان یک عایق مطلق در نظر گرفته می شود، اما در واقعیت اینطور نیست:
یک پدیده خود تخلیه در سلول های یون لیتیوم وجود دارد. آن ها یون لیتیوم با الکترون ها از طریق الکترولیت به کاتد می رسد. بنابراین در صورت نگهداری طولانی مدت باتری را تا حدی شارژ نگه دارید.
با وقفه های طولانی در کار، پدیده پیری نیز رخ می دهد، زمانی که گروه های جداگانه از یون های لیتیوم به طور یکنواخت اشباع شده آزاد می شوند و یکنواختی غلظت را نقض می کنند و در نتیجه ظرفیت کل را کاهش می دهند. بنابراین، هنگام خرید باتری، باید تاریخ عرضه را بررسی کنید

آندها

آندها الکترودهایی هستند که هم با یون لیتیوم مهمان و هم با الکترون مربوطه، اتصال ضعیفی دارند. در حال حاضر، رونق توسعه راه حل های مختلف برای باتری های لیتیوم یون آند وجود دارد.
الزامات آند

• هدایت الکترونیکی و یونی بالا (فرایند سریع الحاق / استخراج لیتیوم)
• ولتاژ پایین با الکترود تست (Li)
• ظرفیت خاص بزرگ
• پایداری بالای ساختار آند در هنگام معرفی و استخراج لیتیوم که مسئول کولن است.

روش های بهبود:

• ساختار کلان ساختار ماده آند را تغییر دهید
• تخلخل ماده را کاهش دهید
• یک ماده جدید انتخاب کنید.
• مواد ترکیبی را اعمال کنید
• بهبود خواص مرز فاز با الکترولیت.

به طور کلی، آندهای LIB را می توان با توجه به نحوه قرارگیری لیتیوم در ساختار آن به 3 گروه تقسیم کرد:

آندها میزبان هستند. گرافیت

تقریباً همه از دوران دبیرستان به یاد داشتند که کربن به شکل جامد در دو ساختار اصلی وجود دارد - گرافیت و الماس. تفاوت در خواص بین این دو ماده قابل توجه است: یکی شفاف است، دیگری نه. یک عایق - یک هادی دیگر، یکی شیشه را برش می دهد، دیگری روی کاغذ پاک می شود. دلیل آن ماهیت متفاوت فعل و انفعالات بین اتمی است.
الماس یک ساختار کریستالی است که در آن پیوندهای بین اتمی در نتیجه هیبریداسیون sp3 تشکیل می شود، یعنی همه پیوندها یکسان هستند - هر سه 4 الکترون با اتم دیگری پیوند σ تشکیل می دهند.
گرافیت از هیبریداسیون sp2 تشکیل می شود که ساختار لایه ای و پیوند ضعیف بین لایه ها را دیکته می کند. پیوند π کووالانسی شناور، کربن-گرافیت را به یک رسانای عالی تبدیل می کند
گرافیت اولین و در حال حاضر ماده اصلی آند با مزایای بسیاری است.
هدایت الکترونیکی بالا
هدایت یونی بالا
تغییر شکل های حجمی کوچک پس از ادغام اتم های لیتیوم
کم هزینه
اولین گرافیت به عنوان ماده ای برای آند در سال 1982 توسط S. Basu پیشنهاد شد و در سال 1985 A. Yoshino به یک سلول لیتیوم یونی وارد شد.
در ابتدا گرافیت به شکل طبیعی در الکترود مورد استفاده قرار گرفت و ظرفیت آن تنها به 200 میلی آمپر بر گرم رسید. منبع اصلی افزایش ظرفیت، بهبود کیفیت گرافیت (بهبود ساختار و تصفیه از ناخالصی ها) بود. واقعیت این است که خواص گرافیت بسته به ساختار درشت آن به طور قابل توجهی متفاوت است و وجود بسیاری از دانه‌های ناهمسانگرد در ساختار که به روشی متفاوت جهت‌گیری شده‌اند، به طور قابل توجهی خواص انتشار ماده را مختل می‌کند. مهندسان سعی کردند درجه گرافیتی شدن را افزایش دهند، اما افزایش آن منجر به تجزیه الکترولیت شد. اولین راه حل استفاده از کربن خرد شده با گرافیت کم مخلوط با الکترولیت بود که ظرفیت آند را به 280 میلی آمپر ساعت در گرم افزایش داد (این فناوری هنوز به طور گسترده استفاده می شود). یک لایه محافظ در چرخه اول (از این پس رابط الکترولیت جامد SEI) که از تجزیه بیشتر الکترولیت جلوگیری می کند و امکان استفاده از گرافیت مصنوعی 320 میلی آمپر بر گرم را فراهم می کند. در حال حاضر، ظرفیت آند گرافیت به 360 میلی آمپر ساعت در گرم رسیده است و ظرفیت کل الکترود 345 میلی آمپر ساعت بر گرم و 476 آمپر ساعت در لیتر است.

واکنش: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

ساختار گرافیت قادر به پذیرش حداکثر 1 اتم لیتیوم در هر 6 درجه سانتیگراد است، بنابراین حداکثر ظرفیت قابل دستیابی 372 میلی آمپر ساعت در گرم است (این به اندازه یک رقم معمولی نظری نیست، زیرا در اینجا نادرترین مورد است که چیزی واقعی باشد. فراتر از حد تئوری است، زیرا در عمل یون های لیتیوم را می توان نه تنها در داخل سلول ها، بلکه در شکستگی دانه های گرافیت نیز جای داد)
از سال 1991 الکترود گرافیتی دستخوش تغییرات زیادی شده است و در برخی مشخصات به نظر می رسد به عنوان یک ماده مستقل، به سقف خود رسیده است... زمینه اصلی برای بهبود، افزایش قدرت است، یعنی. میزان تخلیه / شارژ باتری وظیفه افزایش قدرت در عین حال افزایش دوام است، زیرا تخلیه / شارژ سریع آند منجر به تخریب ساختار گرافیت می شود که توسط یون های لیتیوم از طریق آن "کشیده می شود". علاوه بر تکنیک‌های استاندارد افزایش توان که معمولاً به افزایش نسبت سطح به حجم کاهش می‌یابد، لازم است به بررسی خواص انتشار تک بلور گرافیت در جهات مختلف شبکه کریستالی توجه شود که نشان می‌دهد نرخ انتشار لیتیوم می تواند 10 مرتبه قدر متفاوت باشد.

ک.س. نووسلوف و A.K. بازی برنده جایزه نوبل فیزیک 2010 است. پیشگامان استفاده شخصی از گرافن
آزمایشگاه بل ایالات متحده آمریکا ثبت اختراع 4,423,125
صنعت شیمیایی آساهی ثبت اختراع ژاپن 1989293
Ube Industries Ltd. ثبت اختراع ایالات متحده 6,033,809
ماساکی یوشیو، آکیا کوزاوا و رالف جی. براد. علم و فناوری باتری های لیتیوم یونی Springer 2009.
انتشار لیتیوم در کربن گرافیتی کریستین پرسون at.al. فیس شیمی. نامه 2010 / آزمایشگاه ملی لارنس برکلی. 2010
خواص ساختاری و الکترونیکی گرافیت لیتیومی LiC6، K. R. Kganyago، P. E. Ngoep Phis. بررسی 2003.
ماده فعال برای الکترود منفی مورد استفاده در باتری لیتیوم یون و روش ساخت آن. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09 / 923.908 2003
تأثیر چگالی الکترود بر عملکرد سیکل و از دست دادن ظرفیت غیرقابل برگشت برای آند گرافیت طبیعی در باتری‌های لیتیوم یونی. جونگ پیو شیم و کاترین ا. استریبل

Anodes Tin & Co. آلیاژها

تا به امروز، یکی از امیدوارکننده ترین آندها از عناصر گروه چهاردهم جدول تناوبی هستند. حتی 30 سال پیش، توانایی قلع (Sn) برای تشکیل آلیاژ (محلول های بینابینی) با لیتیوم به خوبی مورد مطالعه قرار گرفت. در سال 1995 بود که فوجی یک ماده آند مبتنی بر قلع را اعلام کرد (برای مثال نگاه کنید به)
منطقی بود انتظار داشته باشیم که عناصر سبکتر همان گروه خواص یکسانی داشته باشند و در واقع سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) ماهیت یکسان پذیرش لیتیوم را نشان می دهند.
Li 22 Sn 5، Li 22 Ge 5، Li 15 Si 4

Li x + Sn (Si، Ge)<-->Li x Sn (Si، Ge) (x<=4.4)
مشکل اصلی و کلی در استفاده از این گروه از مواد بسیار زیاد است، از 357٪ تا 400٪، تغییر شکل های حجمی در طول اشباع با لیتیوم (در طول شارژ)، که منجر به تلفات زیادی در ظرفیت به دلیل از دست دادن تماس با کلکتور جریان توسط یک بخشی از مواد آند

شاید مفصل ترین عنصر این گروه قلع باشد:
که سخت ترین است، راه حل های دشوارتری را ارائه می دهد: حداکثر ظرفیت نظری چنین آندی 960 میلی آمپر ساعت در گرم است، اما فشرده (7000 Ah / L -1960Ah / L *) با این وجود 3 و 8 (2.7 *) از آندهای کربن سنتی پیشی می گیرد. ) بار به ترتیب.
امیدوارکننده ترین آندهای مبتنی بر سیلیکون هستند که از نظر تئوری (4200 mAh / g ~ 3590mAh / g) بیش از 10 برابر سبک تر و 11 (3.14 *) بار فشرده تر (9340 Ah / L ~ 2440 Ah / L *) از گرافیت هستند. آنهایی که
Si دارای رسانایی الکترونیکی و یونی کافی نیست، که باعث می شود به دنبال ابزار اضافی برای افزایش قدرت آند باشیم.
جنرال الکتریک، ژرمانیوم به اندازه Sn و Si ذکر نشده است، اما به عنوان متوسط، ظرفیت بزرگ (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / L) و رسانایی یونی 400 برابر بالاتر از Si دارد، که ممکن است از هزینه بالای آن بیشتر باشد. ایجاد مهندسی برق با توان بالا

در کنار تغییر شکل های حجمی زیاد، مشکل دیگری نیز وجود دارد:
کاهش ظرفیت در سیکل اول به دلیل واکنش برگشت ناپذیر لیتیوم با اکسیدها

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

هر چه تعداد آنها بیشتر باشد، تماس الکترود با هوا بیشتر است (مساحت سطح بزرگتر است، یعنی ساختار ریزتر)
طرح‌های مختلفی ایجاد شده‌اند که به یک درجه یا دیگری امکان استفاده از پتانسیل بالای این ترکیبات را می‌دهد و کاستی‌ها را برطرف می‌کند. با این حال، مانند مزایای:
همه این مواد در حال حاضر در آندهای ترکیبی با گرافیت استفاده می شوند و ویژگی های آنها را 20-30٪ افزایش می دهند.

* مقادیر تصحیح شده توسط نویسنده علامت گذاری شده است، زیرا ارقام رایج افزایش قابل توجهی در حجم را در نظر نمی گیرند و با چگالی ماده فعال (قبل از اشباع شدن با لیتیوم) عمل می کنند، به این معنی که آنها منعکس کننده نیستند. اصلاً وضعیت واقعی امور

جوماس، ژان کلود، لیپنس، پیر امانوئل، اولیویه فورکاد، ژوزت، رابرت، فلورنت ویلمان، پاتریک 2008
درخواست ثبت اختراع ایالات متحده 20080003502.
شیمی و ساختار Nexelion سونی
مواد الکترود لیتیوم یون
جی. ولفنستین، جی.ال. آلن،
J. Read و D. Foster
آزمایشگاه تحقیقات ارتش 2006.

الکترودها برای باتری های لیتیوم یونی - روشی جدید برای نگاه کردن به یک مشکل قدیمی
Journal of The Electrochemical Society, 155 "2" A158-A163 "2008".

تحولات موجود

تمام راه‌حل‌های موجود برای مشکل تغییر شکل‌های بزرگ آند از یک ملاحظه منشا می‌گیرند: هنگام انبساط، علت تنش‌های مکانیکی ماهیت یکپارچه سیستم است: الکترود یکپارچه را به بسیاری از ساختارهای کوچک‌تر ممکن بشکنید و به آنها اجازه دهید مستقل از یکدیگر.
اولین، واضح ترین روش، آسیاب ساده ماده با استفاده از نوعی نگهدارنده است که از اتحاد ذرات به ذرات بزرگتر و همچنین اشباع مخلوط حاصل با عوامل رسانای الکترونیکی جلوگیری می کند. راه حل مشابهی را می توان در تکامل الکترودهای گرافیتی ردیابی کرد. این روش امکان دستیابی به پیشرفت هایی را در افزایش ظرفیت آندها فراهم می کند، اما با این وجود، تا زمانی که مواد مورد نظر به پتانسیل کامل برسد، ظرفیت آند (اعم از حجمی و جرمی) به میزان 30-10% (400) افزایش می یابد. -550 میلی آمپر ساعت در گرم) در قدرت کم
یک روش نسبتاً اولیه برای معرفی ذرات قلع با اندازه نانو (با الکترولیز) بر روی سطح کره های گرافیتی،
یک رویکرد مبتکرانه و ساده برای حل این مشکل امکان ایجاد یک باتری کارآمد را با استفاده از پودر معمولی صنعتی 1668 Ah / l ایجاد کرد.
مرحله بعدی انتقال از میکروذرات به نانوذرات بود: باتری های پیشرفته و نمونه های اولیه آنها در حال بررسی و تشکیل ساختارهای ماده در مقیاس نانومتری هستند که امکان افزایش ظرفیت به 500-600 میلی آمپر بر گرم را فراهم می کند. (~ 600 Ah / L *) با دوام قابل قبول

یکی از بسیاری از انواع نویدبخش نانوساختارها در الکترودها، به اصطلاح است. یک پیکربندی پوسته هسته، که در آن هسته یک کره با قطر کوچک است که از یک ماده فعال ساخته شده است، و پوسته به عنوان یک "غشاء" عمل می کند که از پراکندگی ذرات جلوگیری می کند و ارتباط الکترونیکی با محیط را فراهم می کند. استفاده از مس به عنوان یک پوسته برای نانوذرات قلع نتایج چشمگیری را نشان داد که ظرفیت بالایی (800 میلی آمپر ساعت در گرم - 540 میلی آمپر ساعت بر گرم *) را برای بسیاری از چرخه ها و همچنین در جریان های شارژ / تخلیه بالا نشان داد. در مقایسه با پوسته کربن (600 میلی آمپر بر گرم)، برای Si-C یکسان است. از آنجایی که نانوکره ها کاملاً از یک ماده فعال تشکیل شده اند، ظرفیت حجمی آن باید به عنوان یکی از بالاترین ها (1740 Ah / L) شناخته شود. ))

همانطور که اشاره شد، فضایی برای انبساط برای کاهش اثرات مضر انبساط ناگهانی ماده کار مورد نیاز است.
در سال گذشته، محققان پیشرفت چشمگیری در ایجاد نانوساختارهای قابل اجرا داشته اند: میله های نانو
Jaephil Cho با استفاده از ساختار سیلیکونی متخلخل به 2800 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برای 100 چرخه و 2600 → 2400 در قدرت بالاتر دست می‌یابد.
و همچنین نانوالیاف Si پایدار که با یک فیلم گرافیت 40 نانومتری پوشانده شده است، پس از 200 چرخه 3400 → 2750 میلی آمپر بر گرم (فعال) را نشان می دهد.
Yan Yao و همکاران استفاده از Si را به شکل کره‌های توخالی پیشنهاد می‌کنند، برای دستیابی به دوام شگفت‌انگیز: ظرفیت اولیه 2725 mah / g (و فقط 336 Ah / L (*)) زمانی که ظرفیت پس از 700 چرخه کمتر از 50٪ کاهش می‌یابد.

در سپتامبر 2011، دانشمندان آزمایشگاه برکلی ایجاد یک ژل رسانای الکترونیکی پایدار را اعلام کردند.
که می تواند انقلابی در استفاده از مواد سیلیکونی ایجاد کند. اهمیت این اختراع به سختی قابل برآورد است: ژل جدید می تواند هم به عنوان نگهدارنده و هم به عنوان رسانا عمل کند و از ادغام نانوذرات و از دست دادن تماس جلوگیری کند. امکان استفاده از پودرهای صنعتی ارزان قیمت را به عنوان ماده فعال فراهم می کند و طبق دستورالعمل سازندگان از نظر قیمت با نگهدارنده های سنتی قابل مقایسه است. یک الکترود ساخته شده از مواد صنعتی (پودر نانو Si) 1360 میلی آمپر ساعت در گرم پایدار و 2100 Ah / L بسیار بالا (*) می دهد.

* - برآورد ظرفیت واقعی محاسبه شده توسط نویسنده (به پیوست مراجعه کنید)
خانم. فاستر، سی.ای. Crouthamel، S.E. وود، جی. فیزیک. شیمی، 1966
جوماس، ژان کلود، لیپنس، پیر امانوئل، اولیویه فورکاد، ژوزت، رابرت، فلورنت ویلمان، پاتریک 2008 درخواست ثبت اختراع ایالات متحده 20080003502.
شیمی و ساختار مواد الکترود Li-ion Nexelion سونی J. Wolfenstine، J. L. Allen، J. Read و D. Foster Army Laboratory Research 2006.
آندهای باتری لیتیوم یونی با ظرفیت بالا با استفاده از نانوسیم‌های جنرال الکتریک
آسیاب گلوله ای مواد آند کامپوزیت گرافیت / قلع در محیط مایع. Ke Wang 2007.
ترکیبات قلع بدون الکترولیت روی مخلوط کربنی به عنوان آند برای باتری لیتیوم یون مجله منابع قدرت 2009.
تاثیر پوسته کربن بر آند کامپوزیت Sn-C برای باتری های لیتیوم یون کیانو رن و همکاران Ionics 2010.
رمان Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. باتری هایی که توسط اکسیداسیون و کاهش فلزات تولید می شوند واکنش نشان می دهند. مواد پیشرفته. 2010
هسته دو پوسته [ایمیل محافظت شده]نانوکامپوزیت‌های C به عنوان مواد آندی برای باتری‌های لیتیوم یونی Liwei Su et al. ChemCom 2010.
پلیمرها با ساختار الکترونیکی مناسب برای الکترودهای باتری لیتیومی با ظرفیت بالا Gao Liu et al. Adv. ماتر 2011، 23، 4679-4683
نانوکره های توخالی سیلیکونی به هم پیوسته برای آندهای باتری لیتیوم یونی با عمر چرخه طولانی. یان یائو و همکاران Nano Letters 2011.
مواد آند سی متخلخل برای باتری های قابل شارژ لیتیوم، Jaephil Cho. جی. ماتر. شیمی، 2010، 20، 4009-4014
الکترودها برای باتری های لیتیوم یونی - راهی جدید برای نگاه کردن به یک مشکل قدیمی مجله انجمن الکتروشیمیایی، 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
ACCUMULATEURS FIXES، ثبت اختراع ایالات متحده 8062556 2006

کاربرد

موارد خاص سازه های الکترودی:

برآورد ظرفیت واقعی نانوذرات قلع پوشش داده شده با مس [ایمیل محافظت شده]

نسبت حجمی ذرات از ماده 1 به 3 متر مشخص است




0.52 نسبت بسته بندی پودر است. بر این اساس، بقیه حجم پشت نگهدارنده 0.48 است

نانوکره ها نسبت بسته بندی
ظرفیت حجمی کم داده شده برای نانوکره ها به دلیل توخالی بودن کره ها در داخل است و بنابراین نسبت بسته بندی ماده فعال بسیار پایین است.

مسیر حتی 0.1 خواهد بود، برای مقایسه برای یک پودر ساده - 0.5 ... 07

تبادل آندهای واکنشی اکسیدهای فلزی

اکسیدهای فلزی مانند Fe 2 O 3 نیز بدون شک در گروه اکسیدهای امیدوار کننده قرار می گیرند. این مواد با دارا بودن ظرفیت تئوری بالا، به راه حل هایی نیز برای افزایش گسستگی ماده فعال الکترود نیاز دارند. در این زمینه، نانوساختار مهمی مانند نانوالیاف در اینجا مورد توجه قرار خواهد گرفت.
اکسیدها راه سومی را برای گنجاندن و حذف لیتیوم در ساختار الکترود نشان می دهند. اگر لیتیوم در گرافیت عمدتاً بین لایه‌های گرافن یافت می‌شود، در محلول‌هایی با سیلیکون، در شبکه کریستالی آن گنجانده می‌شود، در اینجا «تبادل اکسیژن» بین فلز «اصلی» الکترود و مهمان - لیتیوم اتفاق می‌افتد. آرایه‌ای از اکسید لیتیوم در الکترود تشکیل می‌شود و فلز پایه به نانوذرات داخل ماتریس تبدیل می‌شود (به عنوان مثال، در شکل، واکنش با اکسید مولیبدن را ببینید. MoO 3 + 6Li + + 6e -<-->3Li 2 O + Mo)
این نوع برهمکنش دلالت بر نیاز به حرکت آسان یون های فلزی در ساختار الکترود دارد، یعنی. انتشار بالا که به معنای انتقال به ذرات ریز و نانوساختارها است

با صحبت در مورد مورفولوژی مختلف آند، راه های ارائه ارتباطات الکترونیکی علاوه بر روش سنتی (پودر فعال، پودر گرافیت + نگهدارنده)، سایر اشکال گرافیت را نیز می توان به عنوان یک عامل رسانا متمایز کرد:
یک رویکرد رایج ترکیبی از گرافن و ماده اصلی است، زمانی که نانوذرات را می توان مستقیماً روی "ورق" گرافن قرار داد، که به نوبه خود به عنوان یک رسانا و بافر در هنگام منبسط شدن ماده کاری عمل می کند. این ساختار برای Co 3 O 4 778 mAh / g پیشنهاد شد و نسبتاً بادوام است. به طور مشابه، 1100 mAh / g برای Fe 2 O 3
اما با توجه به چگالی بسیار پایین گرافن، حتی ارزیابی این که چنین راه حل هایی چقدر قابل اجرا هستند، دشوار است.
راه دیگر استفاده از نانولوله های گرافیتی A.C است. دیلون و همکاران آزمایش با MoO 3 ظرفیت بالای 800 میلی آمپر ساعت در گرم (600 میلی آمپر ساعت / گرم * 1430 Ah / L *) با 5 درصد وزنی از کاهش ظرفیت نگهدارنده پس از 50 چرخه پوشش داده شده با اکسید آلومینیوم و همچنین با Fe 3 O 4، بدون پوشش را نشان می دهد. با استفاده از نگهدارنده مقاوم 1000 میلی آمپر ساعت در گرم (770 -1000 Ah / L *) شکل. سمت راست: تصویر SEM از نانوالیاف آند / Fe 2 O 3 با لوله های نازک گرافیت 5 درصد وزنی (سفید)
M x O y + 2yLi + + 2ye -<-->yLi 2 O + xM

چند کلمه در مورد نانوالیاف

اخیراً، نانوالیاف یکی از داغ‌ترین موضوعات برای انتشارات علم مواد بوده است، به‌ویژه آنهایی که به باتری‌های امیدوارکننده اختصاص داده شده‌اند، زیرا سطح فعال بزرگی را با پیوند خوب بین ذرات فراهم می‌کنند.
در ابتدا از نانوالیاف به عنوان نوعی نانوذرات ماده فعال استفاده می شد که در مخلوطی همگن با نگهدارنده و عوامل رسانا، یک الکترود را تشکیل می دهند.
مسئله چگالی بسته بندی نانوالیاف بسیار پیچیده است، زیرا به عوامل زیادی بستگی دارد. و ظاهراً عمداً عملاً روشن نشده است (مخصوصاً در رابطه با الکترودها). این به تنهایی تجزیه و تحلیل شاخص های واقعی کل آند را دشوار می کند. نویسنده برای ارائه یک نظر ارزیابی، جرأت کرد از کار R. E. Muck که به تجزیه و تحلیل تراکم یونجه در پناهگاه ها اختصاص داده شده است، استفاده کند. بر اساس تصاویر SEM نانوالیاف، یک تحلیل خوش بینانه از چگالی بسته بندی 30-40٪ خواهد بود.
در 5 سال گذشته، توجه بیشتری بر روی سنتز نانوالیاف به طور مستقیم بر روی پانتوگراف متمرکز شده است که دارای تعدادی مزایای جدی است:
تماس مستقیم ماده کار با پانتوگراف فراهم می شود، تماس با الکترولیت بهبود می یابد و نیاز به افزودنی های گرافیت حذف می شود. چندین مرحله تولید طی می شود، چگالی بسته بندی ماده کار به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
K. Chan و همکارانش که نانوالیاف ژنرال الکتریک را آزمایش کردند، 1000mAh/g (800Ah/l) برای توان کم و 800 → 550 (650 → 450 Ah/l *) در دمای 2C پس از 50 چرخه به دست آوردند. در همان زمان، Yanguang Li و همکارانش ظرفیت بالا و قدرت عظیم Co 3 O 4 را نشان دادند: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / L *) پس از 20 چرخه و 600 mAh / g (480 Ah) / L *) در 20 برابر افزایش جریان

آثار الهام‌بخش A. Belcher ** که اولین گام‌های ورود به عصر جدید بیوتکنولوژی است، باید به طور جداگانه یادداشت شود و برای آشنایی به همگان توصیه شود.
A. Belcher با اصلاح ویروس باکتریوفاژ، به دلیل یک فرآیند بیولوژیکی طبیعی، موفق به ساخت نانوالیاف بر اساس آن در دمای اتاق شد. با توجه به شفافیت ساختاری بالای چنین الیافی، الکترودهای حاصل نه تنها سازگار با محیط زیست هستند، بلکه هم فشرده بودن بسته فیبر و هم عملکرد قابل توجهی بادوام تر را نشان می دهند.

* - برآورد ظرفیت واقعی محاسبه شده توسط نویسنده (به پیوست مراجعه کنید)
**
آنجلا بلچر یک دانشمند برجسته (شیمیدان، الکتروشیمیدان، میکروبیولوژیست) است. مخترع سنتز نانوالیاف و سفارش آنها به الکترودها با استفاده از کشت های ویروسی که به طور خاص پرورش داده شده اند.
(مصاحبه را ببینید)

کاربرد

همانطور که گفته شد، بار آند از طریق واکنش رخ می دهد

من هیچ نشانه ای در ادبیات در مورد نرخ انبساط واقعی الکترود در طول شارژ پیدا نکردم، بنابراین پیشنهاد می کنم آنها را با کوچکترین تغییرات ممکن ارزیابی کنم. یعنی با نسبت حجم مولی معرف ها و محصولات واکنش (V Lihitated - حجم آند باردار، V UnLihitated - حجم آند تخلیه شده) چگالی فلزات و اکسیدهای آنها را می توان به راحتی در منابع باز یافت. .

انجمن های محاسبه	مثال محاسبه برای MoO 3

باید در نظر داشت که ظرفیت حجمی به دست آمده ظرفیت یک ماده فعال پیوسته است، بنابراین، بسته به نوع ساختار، ماده فعال کسری متفاوت از حجم کل ماده را اشغال می کند، این مورد در نظر گرفته می شود. با معرفی ضریب بسته بندی k p. به عنوان مثال، برای پودر 50-70٪ است.

آند هیبریدی Co3O4 / گرافن بسیار برگشت پذیر برای باتری های لیتیومی قابل شارژ. اچ کیم و همکاران CARBON 49 (2011) 326 -332
نانوساختار اکسید گرافن کاهش یافته / کامپوزیت Fe2O3 به عنوان یک ماده آند با کارایی بالا برای باتری های لیتیوم یون. ACSNANO VOL. 4 ▪ خیر. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
آندهای اکسید فلزی نانوساختار. A. C. Dillon. 2010
روشی جدید برای نگاه کردن به تراکم سیلو پناهگاه. R. E. Muck. مرکز تحقیقات علوفه لبنی ایالات متحده مدیسون، مدیسون WI
آندهای باتری لیتیوم یونی با ظرفیت بالا با استفاده از نانوسیم‌های جنرال الکتریک K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8، شماره 1 307-309
آرایه‌های نانوسیم Co3O4 مزوپور برای باتری‌های لیتیوم یونی با ظرفیت و قابلیت نرخ بالا. یانگوانگ لی و. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8، شماره 1 265-270
سنتز و مونتاژ نانوسیم‌ها با استفاده از ویروس برای الکترودهای باتری لیتیوم یونی Ki Tae Nam، Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org / 06 آوریل 2006 / صفحه 1 / 10.1126 / Science.112271
آند سیلیکونی فعال با ویروس برای باتری های لیتیوم یونی. شیلین چن و همکاران ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366-5372.
داربست ویروسی برای MIT باتری لیتیومی سبک، انعطاف‌پذیر و سبک، Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

لیتیوم یون HIT. کاتدها

کاتدهای باتری‌های لیتیوم یونی عمدتاً باید قادر به پذیرش یون‌های لیتیوم بوده و ولتاژ بالا و بنابراین همراه با ظرفیت، انرژی بالا را ارائه دهند.

وضعیت جالبی در توسعه و تولید کاتد باتری Li-Ion ایجاد شده است. در سال 1979، جان گودناف و میزوچیما کویچی کاتدهای باتری لیتیوم یونی با ساختار لایه ای مانند LiMO2 را که تقریباً تمام کاتدهای باتری لیتیوم یون موجود را پوشش می دهد، به ثبت رساندند.
عناصر کلیدی کاتد
اکسیژن، به عنوان یک پیوند اتصال، یک پل، و همچنین لیتیوم "چسبیده" با ابرهای الکترونی آن.
یک فلز واسطه (یعنی فلزی با اوربیتال های ظرفیتی d)، زیرا می تواند ساختارهایی با تعداد پیوندهای متفاوتی تشکیل دهد. اولین کاتدها از گوگرد TiS 2 استفاده می کردند، اما سپس به اکسیژن، عنصری فشرده تر و مهمتر از همه، الکترونگاتیو تر، که پیوند تقریباً کاملاً یونی با فلزات ایجاد می کند، روی آوردند. ساختار لایه ای LiMO 2 (*) رایج ترین است، و همه پیشرفت ها حول سه نامزد M = Co، Ni، Mn ساخته شده اند و دائماً به آهن بسیار ارزان نگاه می کنند.

کبالتعلیرغم خیلی چیزها، او به یکباره المپوس را تصرف کرد و هنوز هم آن را حفظ می کند (90 درصد کاتدها)، اما به دلیل پایداری و درستی بالای ساختار لایه ای با 140 میلی آمپر بر گرم، ظرفیت LiCoO 2 به 160 افزایش یافت. -170mAh / g، به دلیل گسترش محدوده ولتاژ. اما به دلیل نادر بودن آن برای زمین، Co بسیار گران است و استفاده از آن به شکل خالص آن تنها در باتری های کوچک، به عنوان مثال، برای تلفن ها قابل توجیه است. 90 درصد بازار را اولین و تا به امروز فشرده ترین کاتد اشغال کرده است.
نیکلماده امیدوارکننده‌ای است که 190 میلی آمپر بر گرم را نشان می‌دهد، اما پایداری بسیار کمتری دارد و چنین ساختار لایه‌ای به شکل خالص برای نیکل وجود ندارد. استخراج لیتیوم از LiNiO 2 تقریباً 2 برابر بیشتر از LiCoO 2 گرما تولید می کند که استفاده از آن در این زمینه را غیرقابل قبول می کند.
منگنز... یکی دیگر از ساختارهای مورد مطالعه، ساختاری است که در سال 1992 اختراع شد. ژان ماری تاراسکو، کاتد اسپینل اکسید منگنز LiMn 2 O 4: با ظرفیت کمی کمتر، این ماده بسیار ارزان تر از LiCoO 2 و LiNiO 2 است و بسیار قابل اعتمادتر است. امروزه گزینه خوبی برای خودروهای هیبریدی است. تحولات اخیر مربوط به آلیاژ نیکل با کبالت است که به طور قابل توجهی خواص ساختاری آن را بهبود می بخشد. بهبود قابل توجهی در پایداری نیز هنگام آلیاژ کردن Ni با Mg غیر فعال الکتروشیمیایی مشاهده شد: LiNi 1-y Mg y O 2. بسیاری از آلیاژهای LiMn x O 2x برای کاتدهای Li-ion شناخته شده اند.
مشکل اساسی- نحوه افزایش ظرفیت قبلاً در مورد قلع و سیلیکون دیده‌ایم که واضح‌ترین راه برای افزایش ظرفیت، حرکت در جدول تناوبی است، اما متأسفانه، چیزی بالاتر از فلزات واسطه‌ای که در حال حاضر استفاده می‌شوند وجود ندارد (تصویر سمت راست). بنابراین، تمام پیشرفت‌های سال‌های اخیر مرتبط با کاتدها به طور کلی با رفع نواقص موجود در ارتباط است: افزایش دوام، بهبود کیفیت، مطالعه ترکیبات آنها (شکل بالا در سمت چپ)
اهن... از آغاز دوران لیتیوم-یون، تلاش های زیادی برای استفاده از آهن در کاتدها صورت گرفته است، اما همه آنها بی فایده بودند. اگرچه LiFeO 2 یک کاتد ارزان و قدرتمند ایده آل است، اما نشان داده شده است که نمی توان لی را از ساختار در محدوده ولتاژ معمولی استخراج کرد. وضعیت در سال 1997 با مطالعه خواص الکتریکی Olivine LiFePO 4 به شدت تغییر کرد. ظرفیت بالا (170 میلی آمپر بر گرم) حدود 3.4 ولت با آند لیتیوم و بدون افت ظرفیت جدی حتی پس از چند صد چرخه. برای مدت طولانی، نقطه ضعف اصلی الیوین رسانایی ضعیف آن بود که به طور قابل توجهی قدرت را محدود می کرد. برای اصلاح این وضعیت، حرکات کلاسیک انجام شد (سنگ زنی با پوشش گرافیت)، با استفاده از ژل با گرافیت، امکان دستیابی به قدرت بالا در 120 میلی آمپر ساعت / گرم برای 800 سیکل وجود داشت. پیشرفت واقعاً فوق العاده ای با دوپینگ اندک Nb حاصل شده است که رسانایی را تا 8 مرتبه بزرگی افزایش می دهد.
همه چیز نشان می دهد که اولیوین به عظیم ترین ماده برای وسایل نقلیه الکتریکی تبدیل خواهد شد. برای در اختیار داشتن انحصاری حقوق LiFePO 4، A123 Systems Inc چندین سال است که شکایت کرده است. و Black & Decker Corp، بدون دلیل معتقدند که این آینده خودروهای الکتریکی است. تعجب نکنید، اما پتنت ها برای همان کاپیتان کاتدها - جان گودناف - صادر می شود.
اولیوین امکان استفاده از مواد ارزان قیمت را ثابت کرد و نوعی پلاتین را شکست. فکر مهندسی بلافاصله به فضای شکل گرفته هجوم آورد. بنابراین، به عنوان مثال، جایگزینی سولفات ها با فلوروفسفات ها اکنون به طور فعال مورد بحث قرار می گیرد، که ولتاژ را 0.8 ولت افزایش می دهد، یعنی. انرژی و توان را 22 درصد افزایش دهید.
خنده دار: در حالی که در مورد حقوق استفاده از الیوین اختلاف وجود دارد، من با بسیاری از تولید کنندگان noname مواجه شدم که سلول ها را روی یک کاتد جدید ارائه می دهند.

* همه این ترکیبات فقط همراه با لیتیوم پایدار هستند. و بر این اساس، آنهایی که از قبل با آن اشباع شده اند ساخته می شوند. بنابراین، هنگام خرید باتری های مبتنی بر آنها، ابتدا باید باتری را با سبقت گرفتن مقداری از لیتیوم به آند شارژ کنید.
** با درک توسعه کاتدهای باتری لیتیوم یون، شما به طور غیرارادی شروع به درک آن به عنوان دوئل بین دو غول می کنید: جان گودناف و ژان ماری تاراسکو. اگر گودناف اولین کاتد اساسی موفق خود را در سال 1980 ثبت اختراع کرد (LiCoO 2)، سپس دکتر تراسکو دوازده سال بعد پاسخ داد (Mn 2 O 4). دومین دستاورد بنیادی آمریکایی در سال 1997 اتفاق افتاد (LiFePO 4) و در اواسط دهه گذشته، فرانسوی در حال گسترش این ایده با معرفی LiFeSO 4 F است و در حال کار بر روی استفاده از الکترودهای کاملاً ارگانیک است.
گودناف، جی بی. میزوچیما، K. U.S. ثبت اختراع 4,302,518, 1980.
گودناف، جی بی. میزوشیما، K. U.S. ثبت اختراع 4,357,215, 1981.
علم و فناوری باتری های لیتیوم یونی. ماساکی یوشیو، رالف جی. براد، آکیا کوزاوا
روش تهیه ترکیبات بینابینی LiMn2 O4 و استفاده از آن در باتری های لیتیومی ثانویه. باربوکس؛ فیلیپ شکوهی; Frough K., Tarascon; ژان ماری. Bell Communications Research, Inc. 1992 ثبت اختراع ایالات متحده 5،135،732.

سلول الکتروشیمیایی قابل شارژ با کاتد دی سولفید تیتانیوم استوکیومتری ویتینگهام. ام. استنلی. ثبت اختراع ایالات متحده 4,084,046 1976
کانو، آر. شیرانه، تی. اینابا، ی. Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
باتری های لیتیومی و مواد کاتدی. M. Stanley Whittingham Chem. کشیش 2004، 104، 4271-4301
یک الکترود مثبت 3.6 ولتی مبتنی بر فلوروسولفات برای باتری های لیتیوم یون. N. Recham1، J-N. Chotard1، L. Dupont1، C. Delacourt1، W. Walker1،2، M. Armand1 و J-M. تاراسکون مواد طبیعی نوامبر 2009.

کاربرد

ظرفیت کاتدها دوباره به عنوان حداکثر بار استخراج شده به ازای هر وزن یک ماده، به عنوان مثال یک گروه تعریف می شود.
Li 1-x MO 2 + Li + + e - ---> Li x MO 2

به عنوان مثال برای شرکت

در درجه استخراج Li x = 0.5، ظرفیت ماده خواهد بود

در حال حاضر، بهبود در فرآیند فنی امکان افزایش نرخ استخراج و رسیدن به 160 میلی آمپر ساعت در گرم را فراهم می کند.
اما البته اکثر پودرهای موجود در بازار به این ارزش ها دست پیدا نمی کنند.

دوران ارگانیک.
در ابتدای بررسی، کاهش آلودگی محیط زیست را به عنوان یکی از عوامل محرک اصلی در گذار به خودروهای الکتریکی نام بردیم. اما به عنوان مثال، یک خودروی هیبریدی مدرن را در نظر بگیرید: مطمئناً سوخت کمتری می سوزاند، اما هنگام تولید یک باتری 1 کیلووات ساعتی حدود 387 کیلووات ساعت هیدروکربن می سوزاند. البته چنین خودرویی آلاینده های کمتری را منتشر می کند، اما هنوز در حین تولید (70-100 کیلوگرم CO 2 در هر کیلووات ساعت) گریزی از گازهای گلخانه ای وجود ندارد. علاوه بر این، در یک جامعه مصرفی مدرن، کالاها تا زمانی که منابع آنها تمام نشده است مورد استفاده قرار نمی گیرند. یعنی دوره "بازپس گیری" این وام انرژی طولانی نیست و دفع باتری های مدرن گران است و همیشه در دسترس نیست. بنابراین، بهره وری انرژی باتری های مدرن هنوز مورد سوال است.
اخیراً چندین بیوتکنولوژی دلگرم کننده ظاهر شده است که سنتز الکترودها را در دمای اتاق ممکن می سازد. A. Belcher (ویروس ها)، J.M. تاراسکو (استفاده از باکتری).

یک نمونه عالی از چنین مواد زیستی امیدوار کننده ای، اکسو کربن لیتیزه شده - Li 2 C 6 O 6 (لیتیوم رادیسونات) است که با داشتن توانایی برگشت پذیری تا چهار لیتیوم در هر فرمول، ظرفیت وزنی بالایی را نشان می دهد، اما از آنجایی که کاهش همراه است. با پیوندهای پی، با پتانسیل تا حدودی کمتر (2.4 V). به طور مشابه، حلقه های معطر دیگر به عنوان پایه ای برای یک الکترود مثبت در نظر گرفته می شوند و همچنین روشن شدن قابل توجه باتری ها را گزارش می دهند.
"معایب" اصلی هر ترکیب آلی چگالی کم آنهاست، زیرا تمام شیمی آلی با عناصر سبک C، H، O و N سروکار دارد. برای درک اینکه چقدر این جهت امیدوار کننده است، کافی است بگوییم که این مواد را می توان از سیب و ذرت به دست آورد و همچنین به راحتی مورد استفاده و فرآوری قرار می گیرد.
تابش لیتیوم در حال حاضر امیدوارکننده‌ترین کاتد برای صنعت خودرو در نظر گرفته می‌شود، اگر نه برای چگالی جریان محدود (قدرت) و امیدوارکننده‌ترین کاتد برای الکترونیک قابل حمل، اگر نه برای چگالی مواد کم (ظرفیت کم) (شکل سمت چپ). ). در این میان، این تنها یکی از امیدوار کننده ترین زمینه های کاری است.

دستگاه های تلفن همراه

افزودن برچسب