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

Na prekonanie obmedzení existujúcich technológií na energetickú kapacitu a rýchlosť nabíjania batérie vedci použili dva rôzne prístupy chemického inžinierstva. Výsledná batéria nielenže predĺži prevádzkový čas malých elektronických zariadení (ako sú telefóny a notebooky), ale tiež pripraví pôdu pre vývoj efektívnejších a kompaktnejších batérií pre elektromobily.

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

Prevádzka lítium-iónovej batérie je založená na chemickej reakcii, pri ktorej sa lítiové ióny pohybujú medzi anódou a katódou umiestnenou na opačných koncoch batérie. Počas prevádzky batérie migrujú lítiové ióny z anódy cez elektrolyt ku katóde. Pri nabíjaní sa ich smer obráti. V súčasnosti existujúce batérie majú dve dôležité obmedzenia. Ich energetická kapacita - to znamená čas, počas ktorého môže batéria držať nabitie - je obmedzená hustotou nabitia alebo tým, koľko lítiových iónov je možné umiestniť na anódu alebo katódu. Rýchlosť nabíjania takejto batérie je zároveň obmedzená rýchlosťou, ktorou sa lítiové ióny dokážu pohybovať cez elektrolyt k anóde.

V súčasných nabíjateľných batériách môže anóda vyrobená z mnohých grafénových plátov obsahovať iba jedno lítium na každých šesť atómov uhlíka (z ktorých je vyrobený grafén). V snahe zvýšiť energetickú kapacitu batérií vedci už experimentovali s nahradením uhlíka kremíkom, ktorý pojme oveľa viac lítia: štyri atómy lítia na každý atóm kremíka. Počas nabíjania sa však kremík prudko rozťahuje a zmršťuje, čo spôsobuje fragmentáciu látky anódy a v dôsledku toho rýchlu stratu nabíjacej kapacity batérie.

V súčasnosti sa nízka rýchlosť nabíjania batérie vysvetľuje tvarom grafénových plátov: v porovnaní s hrúbkou (tvoriacou iba jeden atóm) je ich dĺžka neúmerne veľká. Počas nabíjania musí lítium-ión prejsť k vonkajším okrajom grafénových listov a potom prejsť medzi nimi a zastaviť sa niekde vo vnútri. Keďže lítiu trvá dlho, kým sa dostane do stredu grafénového listu, na okrajoch je pozorované niečo ako iónový zásek.

Ako bolo uvedené, Kuongov výskumný tím vyriešil oba tieto problémy prijatím dvoch rôznych technológií. Po prvé, aby zabezpečili stabilitu kremíka a tým zachovali maximálnu nabíjaciu kapacitu batérie, umiestnili medzi grafénové listy kremíkové zhluky. To umožnilo zvýšiť počet lítiových iónov v elektróde a súčasne využiť flexibilitu grafénových plátov na zohľadnenie zmien objemu kremíka počas nabíjania / vybíjania batérie.

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

Okrem toho výskumníci použili proces chemickej oxidácie na vytvorenie miniatúrnych (10-20 nanometrových) otvorov v grafénových plátoch ("defekty v rovine"), ktoré poskytujú lítiovým iónom "rýchly prístup" do vnútra anódy, a potom uloženie v ňom v dôsledku reakcie s kremíkom. Tým sa skrátil čas potrebný na nabitie batérie o faktor 10.

Všetky snahy o optimalizáciu výkonu batérie sa doteraz sústredili na jednu z ich súčastí – anódu. V ďalšej fáze výskumu vedci plánujú študovať zmeny na katóde za rovnakým účelom. Okrem toho chcú upraviť elektrolytický systém tak, aby sa batéria pri vysokých teplotách automaticky (a reverzibilne) vypínala – podobný ochranný mechanizmus by sa mohol hodiť pri používaní batérií v elektromobiloch.

Podľa vývojárov by sa v súčasnej podobe mala nová technológia dostať na trh v priebehu najbližších troch až piatich rokov. V časopise „Advanced Energy Materials“ vyšiel článok o výsledkoch výskumu a vývoja nových akumulátorov.

Začiatkom 90. rokov sa v technológii batérií uskutočnil významný krok – vynález lítium-iónových zariadení na ukladanie energie. To nám umožnilo vidieť smartfóny a dokonca aj elektromobily v podobe, v akej existujú teraz, no odvtedy sa nič vážne v tejto oblasti nevymyslelo, tento typ sa v elektronike stále používa.

Li-ion batérie so zvýšenou kapacitou a chýbajúcim „pamäťovým efektom“ boli svojho času skutočne prelomom v technológii, ale teraz už nezvládajú zvýšenú záťaž. Existuje stále viac a viac smartfónov s novými užitočnými funkciami, ktoré v konečnom dôsledku zvyšujú záťaž batérie. Elektromobily s takýmito batériami sú zároveň stále príliš drahé a neefektívne.

Na to, aby smartfóny fungovali dlho a zostali malé, sú potrebné nové batérie.

Tekuté batérie pre elektródy

Jedným zo zaujímavých pokusov o vyriešenie problémov tradičných batérií je vývoj „prietokových“ batérií s tekutým elektrolytom. Princíp činnosti takýchto batérií je založený na interakcii dvoch nabitých kvapalín, poháňaných pumpami cez článok, kde vzniká elektrický prúd. Kvapaliny v tomto článku sa nemiešajú, ale sú oddelené membránou, cez ktorú prechádzajú nabité častice, rovnako ako v klasickej batérii.

Batériu je možné nabiť bežným spôsobom alebo naplniť novým, nabitým elektrolytom, v tomto prípade bude postup trvať len pár minút, ako keď sa naleje benzín do plynovej nádrže. Táto metóda je vhodná predovšetkým pre auto, ale užitočná aj pre elektroniku.

Sodíkové batérie

Hlavnými nevýhodami lítium-iónových batérií sú vysoké náklady na materiály, relatívne malý počet cyklov vybitia a nabíjania a nebezpečenstvo požiaru. Vedci sa preto už dlho snažia túto technológiu vylepšiť.

V Nemecku sa teraz pracuje na sodíkových batériách, ktoré by mali byť odolnejšie, lacnejšie a priestrannejšie. Elektródy novej batérie budú zostavené z rôznych vrstiev, čo umožňuje rýchle nabíjanie batérie. V súčasnosti prebieha hľadanie spoľahlivejšej konštrukcie elektródy, po ktorej bude možné usúdiť, či táto technológia pôjde do výroby, alebo bude lepší nejaký iný vývoj.

Lítiové sírové batérie

Ďalším novým vývojom sú lítium-sírové batérie. V týchto batériách sa plánuje použitie sírovej katódy, čo bude znamenať výrazné zníženie nákladov na batériu. Tieto batérie sú už vo vysokom stave pripravenosti a čoskoro sa môžu dostať do sériovej výroby.

Teoreticky môžu lítium-sírové batérie dosahovať vyššie energetické kapacity ako lítium-iónové batérie, ktoré už dosiahli svoj limit. Je veľmi dôležité, aby sa lítium-sírové batérie dali úplne vybiť a skladovať neobmedzene dlho v úplne vybitom stave bez pamäťového efektu. Síra je sekundárnym produktom pri rafinácii ropy, nové batérie nebudú obsahovať ťažké kovy (nikel a kobalt), nové zloženie batérií bude ekologickejšie a batérie sa budú ľahšie likvidovať.

Čoskoro bude známe, ktorá technológia bude najsľubnejšia a nahradí dosluhujúce lítium-iónové batérie.

Medzitým vás pozývame zoznámiť sa s populárnou profesiou.

Špecifická spotreba energie moderných lítium-iónových batérií dosahuje 200 W * h / kg. V priemere to vystačí len na 150 kilometrov bez dobíjania, čo sa nedá porovnať s dojazdom na jedno natankovanie áut s klasickým spaľovacím motorom. Aby sa elektrické vozidlá stali mainstreamom, musia mať porovnateľný počet najazdených kilometrov. Aby ste to dosiahli, musíte dosiahnuť špecifickú energetickú kapacitu batérií najmenej 350-400 W * h / kg. Sľubné typy batérií popísané nižšie to dokážu poskytnúť, hoci v každom prípade existujú "ale".

Lítium-sírové batérie sa vyznačujú veľkou špecifickou kapacitou, čo je dôsledkom skutočnosti, že v procese chemickej reakcie sa každá molekula vzdáva nie jedného, ​​ale dvoch voľných elektrónov. Ich teoretická merná energia je 2600 W * h / kg. Takéto batérie sú navyše výrazne lacnejšie a bezpečnejšie ako lítium-iónové batérie.

Základná Li-S batéria pozostáva z lítiovej anódy, uhlíkovej sírovej katódy a elektrolytu, cez ktorý prechádzajú lítiové ióny. Pri výboji dochádza k chemickej reakcii, pri ktorej sa lítium anódy mení na sulfid lítny, ktorý sa ukladá na katóde. Napätie batérie je medzi 1,7 a 2,5 V, v závislosti od vybitia batérie. Polysulfidy lítia vznikajúce počas reakcie ovplyvnia napätie batérie.

Chemická reakcia v batérii je sprevádzaná množstvom negatívnych vedľajších účinkov. Keď katódová síra absorbuje ióny lítia z elektrolytu, vytvorí sa sulfid lítny Li 2 S, ktorý sa usadí na katóde. Zároveň sa jeho objem zvyšuje o 76 %. Počas nabíjania dochádza k spätnej reakcii, ktorá vedie k zmenšeniu veľkosti katódy. V dôsledku toho je katóda vystavená značnému mechanickému preťaženiu, čo vedie k jej poškodeniu a strate kontaktu s kolektorom prúdu. Okrem toho Li 2 S degraduje elektrický kontakt na katóde medzi sírou a uhlíkom (cesta, ktorou sa elektróny pohybujú) a bráni lítiovým iónom prúdiť na povrch síry.

Ďalší problém súvisí so skutočnosťou, že pri reakcii síry a lítia nevzniká Li 2 S okamžite, ale sériou premien, pri ktorých vznikajú polysulfidy (Li 2 S 8, Li 2 S 6 atď.) . Ak sú však síra a Li2S nerozpustné v elektrolyte, potom sa polysulfidy naopak rozpúšťajú. To vedie k postupnému znižovaniu množstva síry na katóde. Ďalšou nepríjemnosťou je výskyt drsnosti na povrchu lítiovej anódy pri prechode veľkých výbojových a nabíjacích prúdov. To všetko spolu viedlo k tomu, že takáto batéria nevydržala viac ako 50-60 cyklov vybitia a nabitia, a preto nebola vhodná na praktické použitie.

Avšak najnovší vývoj Američanov z Národného laboratória. Lawrence v Berkeley dokázal tieto nedostatky prekonať. Vytvorili unikátnu katódu vyrobenú z nanokompozitného materiálu (grafén a oxid síry), ktorej celistvosť je zachovaná pomocou elastického polymérového povlaku. Preto zmena rozmerov katódy počas vybíjania nevedie k jej zničeniu. Na ochranu síry pred rozpustením sa používa povrchovo aktívna látka (povrchovo aktívna látka). Keďže povrchovo aktívna látka je katiónová (to znamená, že je priťahovaná k povrchu sírovej vrstvy), nezabráni aniónom lítia v reakcii so sírou, ale nedovolí, aby sa v tomto prípade vzniknuté polysulfidy rozpustili v elektrolyte a zadržali ich. pod jeho vrstvou. Bol vyvinutý aj nový elektrolyt na báze iónovej kvapaliny, v ktorej sa polysulfidy nerozpúšťajú. Iónová kvapalina a oveľa bezpečnejšia - nehorí a takmer sa neodparuje.

V dôsledku všetkých opísaných inovácií sa výrazne zvyšuje výkon batérie. Jeho počiatočná merná energia je 500 W * h / kg, čo je viac ako dvojnásobok energie Li-ion batérií. Po 1500 20-hodinových cykloch vybitia-nabitia (C = 0,05) klesla jeho merná energia na úroveň čerstvej Li-ion batérie. Po 1500 1-hodinových cykloch (C = 1) bol pokles 40-50%, ale batéria bola stále funkčná. Keď bola batéria testovaná pri vysokom výkone, keď bola podrobená 10-minútovému cyklu vybitia a nabíjania (C = 6), dokonca aj po 150 takýchto cykloch jej špecifická energia prevyšovala energiu čerstvej lítium-iónovej batérie.

Odhadovaná cena takejto Li-S batérie nepresiahne 100 dolárov za každú kWh kapacity. Mnohé z inovácií navrhnutých výskumným tímom v Berkeley možno použiť na zlepšenie existujúcich lítium-iónových batérií. Pre vytvorenie praktického dizajnu LiS batérie hľadajú vývojári partnerov, ktorí budú financovať finálny vývoj batérie.

Lítium-titanátové batérie

Najväčším problémom moderných lítium-iónových batérií je nízka účinnosť, predovšetkým kvôli tomu, že materiály na ukladanie energie zaberajú len 25 % objemu batérie. Zvyšných 75 % tvoria inertné materiály: kryt, vodivé fólie, lepidlo atď. Z tohto dôvodu sú moderné batérie príliš objemné a drahé. Nová technológia zahŕňa výrazné zníženie „odpadových“ materiálov pri konštrukcii batérií.

Najnovšie lítium-titanátové batérie pomohli prekonať ďalšiu nevýhodu lítium-iónových batérií – ich krehkosť a čas nabíjania. V priebehu výskumu sa zistilo, že pri nabíjaní vysokými prúdmi sú lítiové ióny nútené „brodiť“ sa medzi grafitovými mikroplatňami, čím sa postupne ničia elektródy. Preto bol grafit v elektródach nahradený štruktúrami nanočastíc lítiumtitanátu. Neprekážajú pri pohybe iónov, čo v konečnom dôsledku viedlo k fantastickému zvýšeniu životnosti – vyše 15 000 cyklov za 12 rokov! Doba nabíjania sa skráti zo 6-8 hodín na 10-15 minút. Ďalšími výhodami sú tepelná stabilita a menšia toxicita.

Odborníci odhadujú, že nové batérie budú mať dvojnásobnú energetickú hustotu ako najlepšie dostupné lítium-iónové batérie súčasnosti. Pri konštantnom dojazde elektromobilu teda bude jeho batéria ľahšia a pri rovnakej hmotnosti sa výrazne zvýši dojazd. Ak sa podarí zaviesť novú batériu do výroby, dojazd kompaktných elektrických vozidiel (ktoré nemožno vybaviť veľkou a ťažkou batériou) sa zvýši v priemere zo 150 km na 300 km na jedno nabitie. Nové batérie budú zároveň o polovicu lacnejšie ako tie súčasné – iba 250 dolárov za kW/h.

Lítiové vzduchové batérie

Technológia nestojí na mieste a vedci už pracujú na vytvorení praktického dizajnu lítium-vzduchovej (LiO 2) batérie. Jeho teoretická energetická kapacita je 8-10 krát vyššia ako kapacita lítium-iónových. S cieľom znížiť hmotnosť batérie pri zachovaní, či dokonca zvýšení jej kapacity, vedci navrhli radikálne riešenie – odmietnutie tradičnej katódy: lítium bude interagovať priamo s kyslíkom zo vzduchu. Vďaka katalytickej vzduchovej katóde sa očakáva nielen zvýšenie energetickej kapacity batérie, ale aj zníženie jej objemu a hmotnosti o takmer rovnakú hodnotu.

Pre masovú výrobu si lítium-vzduchová technológia vyžaduje riešenie mnohých technických a vedeckých problémov, vrátane vytvorenia účinného katalyzátora, lítiovej anódy a stabilného pevného elektrolytu schopného prevádzky pri nízkych teplotách (až do -50C). Okrem toho je potrebné vyvinúť techniku ​​nanášania katalyzátora na povrch katódy, vytvoriť membránu, ktorá by zabránila prenikaniu kyslíka k lítiovej anóde, a tiež vyvinúť metódy na výrobu špeciálnych poréznych elektród.

• Preklad

V posledných rokoch sme často počúvali, že ľudstvo dostane batérie, ktoré budú schopné napájať naše prístroje niekoľko týždňov alebo dokonca mesiacov, pričom budú veľmi kompaktné a rýchlo sa nabíjajú. Ale veci sú stále tam. Prečo sa ešte neobjavili efektívnejšie batérie a aký je vývoj vo svete, si prečítajte pod rezom.

Dnes je množstvo startupov blízko k vytvoreniu bezpečných kompaktných batérií s nákladmi na skladovanie energie okolo 100 dolárov za kWh. Tým by sa vyriešil problém 24/7 napájania a v mnohých prípadoch by sa prešlo na obnoviteľné zdroje energie a zároveň by sa znížila hmotnosť a náklady na elektromobily.

Ale všetok tento vývoj sa extrémne pomaly približuje ku komerčnej úrovni, čo neumožňuje urýchliť prechod od fosílnych zdrojov k obnoviteľným zdrojom. Aj Elon Musk, ktorý miluje odvážne sľuby, bol nútený priznať, že jeho automobilová divízia postupne vylepšuje lítium-iónové batérie, než aby vytvárala prelomové technológie.

Mnoho vývojárov verí, že budúce batérie budú mať veľmi odlišný tvar, štruktúru a chemické zloženie v porovnaní s lítium-iónovými, ktoré v poslednom desaťročí vytlačili iné technológie z mnohých trhov.

Zakladateľ SolidEnergy Systems, Qichao Hu, ktorý už desať rokov vyvíja lítium-kovovú batériu (anóda je kovová, nie grafitová, ako pri tradičnom lítium-iónovom), tvrdí, že hlavným problémom pri vytváraní nových technológií skladovania energie je že so zlepšením jedného parametra sa ostatné zhoršia. Navyše, dnes existuje toľko vývojov, ktorých autori sa nahlas hlásia k svojej nadradenosti, že pre startupy je veľmi ťažké presvedčiť potenciálnych investorov a získať dostatok financií na pokračovanie výskumu.

Bioo nabíjačka

Toto zariadenie je vo forme špeciálneho kvetináča, ktorý využíva energiu fotosyntézy na nabíjanie mobilných zariadení. Navyše je už k dispozícii na predaj. Zariadenie dokáže poskytnúť dve až tri nabíjacie sedenia za deň s napätím 3,5 V a prúdom 0,5 A. Organické materiály v hrnci interagujú s vodou a produktmi fotosyntézy, výsledkom čoho je dostatok energie na nabitie smartfónov a tabletov.

Predstavte si celé háje, v ktorých je každý strom vysadený nad takýmto zariadením, len väčší a mohutnejší. To dodá okolitým domom „bezplatnú“ energiu a bude to pádny dôvod na ochranu lesov pred odlesňovaním.

Batérie so zlatými nanodrôtmi

Kalifornská univerzita v Irvine vyvinula nanovláknové batérie, ktoré vydržia viac ako 200 000 nabíjacích cyklov počas troch mesiacov bez akýchkoľvek známok degradácie kapacity. To výrazne zvýši životný cyklus energetických systémov v kritických systémoch a spotrebnej elektronike.

Nanošpecialisti tisíckrát tenší ako ľudský vlas sľubujú svetlú budúcnosť. Pri vývoji vedci použili zlaté drôtiky v plášti z oxidu manganičitého, ktoré sú umiestnené v gélovom elektrolyte. To zabraňuje zničeniu nanodrôtov pri každom nabíjacom cykle.

Magnéziové batérie

Toyota pracuje na využití horčíka v batériách. To umožní vytvorenie malých, tesne zabalených modulov, ktoré nepotrebujú ochranné kryty. Z dlhodobého hľadiska môžu byť takéto batérie lacnejšie a kompaktnejšie ako lítium-iónové batérie. Pravda, tak skoro sa to nestane. Ak sa to stane.

Pevné batérie

Bežné lítium-iónové batérie využívajú tekutý, horľavý elektrolyt ako médium na transport nabitých častíc medzi elektródami, čím sa batéria postupne znehodnocuje.

Sú zbavení tejto nevýhody pevné skupenstvo lítium-iónové batérie, ktoré sú dnes považované za jedny z najperspektívnejších. Najmä vývojári Toyoty zverejnili vedecký článok, v ktorom opísali svoje experimenty so sulfidovými superiónovými vodičmi. Ak sa im to podarí, vytvoria sa batérie na úrovni superkondenzátorov – plne sa nabijú alebo vybijú už za sedem minút. Ideálne pre elektrické vozidlá. A vďaka pevnej štruktúre budú takéto batérie oveľa stabilnejšie a bezpečnejšie ako moderné lítium-iónové batérie. Rozšíri sa aj rozsah ich prevádzkových teplôt – od –30 do +100 stupňov Celzia.

Vedci z MIT tiež uzavreli partnerstvo so spoločnosťou Samsung na vývoji polovodičových batérií, ktoré prekonávajú dnešné lítium-iónové batérie. Sú bezpečnejšie, ich spotreba energie je o 20-30% vyššia a okrem toho vydržia státisíce nabíjacích cyklov. Navyše nie sú nebezpečné z hľadiska požiaru.

Palivové články

Zlepšenie palivových článkov by mohlo viesť k tomu, že smartfóny sa budú nabíjať raz týždenne a drony budú lietať viac ako hodinu. Vedci z Pohang University of Science and Technology (Južná Kórea) vytvorili článok, v ktorom sú kombinované porézne prvky z nehrdzavejúcej ocele s tenkovrstvovým elektrolytom a elektródy s minimálnou tepelnou kapacitou. Dizajn sa ukázal byť spoľahlivejší a vydrží dlhšie ako lítium-iónové batérie. Je možné, že vývoj bude implementovaný do komerčných produktov, primárne do smartfónov Samsung.

Grafénové autobatérie

Mnohí odborníci sa domnievajú, že budúcnosť patrí grafénovým batériám. Graphenano vyvinulo batériu Grabat, ktorá dokáže zabezpečiť dojazd elektromobilu až 800 km. Vývojári tvrdia, že batériu je možné nabiť za pár minút – rýchlosť nabíjania/vybíjania je 33-krát rýchlejšia ako u lítium-iónovej batérie. Rýchle vybíjanie je obzvlášť dôležité na zabezpečenie vysokej dynamiky zrýchlenia v elektrických vozidlách.

Kapacita 2,3-voltového Grabatu je obrovská: asi 1000 Wh / kg. Pre porovnanie, najlepšie príklady lítium-iónových batérií majú úroveň 180 Wh / kg.

Laserom vyrobené mikrosuperkondenzátory

Vedci z Rice University dosiahli pokrok vo vývoji mikrosuperkondenzátorov. Jednou z hlavných nevýhod technológie sú vysoké náklady na výrobu, ale použitie lasera môže viesť k výraznému zníženiu nákladov. Elektródy pre kondenzátory sú vyrezané laserom z plastovej fólie, čo výrazne znižuje náročnosť výroby. Tieto batérie sa môžu nabíjať 50-krát rýchlejšie ako lítium-iónové batérie a vybíjať sa pomalšie ako dnes používané superkondenzátory. Okrem toho sú spoľahlivé, v priebehu experimentov pokračovali v práci aj po 10 000 ohyboch.

Sodno-iónové batérie

Skupina francúzskych výskumníkov a spoločností RS2E vyvinula sodíkovo-iónové batérie do notebookov, ktoré používajú bežnú soľ. Princíp činnosti a výrobný proces sú utajené. Kapacita 6,5-centimetrovej batérie je 90 Wh / kg, čo je porovnateľné s hromadnými lítium-iónovými batériami, ale nevydrží viac ako 2 000 nabíjacích cyklov.

Penové akumulátory

Ďalším trendom vo vývoji technológií skladovania energie je vytváranie trojrozmerných štruktúr. Prieto vytvoril najmä batériu na báze penového kovu (medeného) substrátu. Neexistuje žiadny horľavý elektrolyt, takáto batéria má dlhý zdroj, rýchlejšie sa nabíja, jej hustota je päťkrát vyššia a je tiež lacnejšia a menšia ako moderné batérie. Prieto dúfa, že najskôr implementuje svoj vývoj v nositeľnej elektronike, ale tvrdí, že táto technológia sa môže rozšíriť do šírky: použiť v smartfónoch a dokonca aj v automobiloch.

Vysokokapacitný rýchlonabíjací "nano-yolk"

Ďalší vývoj Massachusettského technologického inštitútu - nanočastice pre batérie: dutá škrupina z oxidu titaničitého, vo vnútri ktorej je (podobne ako žĺtok vo vajci) výplň z hliníkového prášku, kyseliny sírovej a oxysulfátu titánu. Rozmery plniva sa môžu meniť nezávisle od puzdra. Použitie takýchto častíc umožnilo strojnásobiť kapacitu moderných batérií a doba plného nabitia sa skrátila na šesť minút. Znížila sa aj rýchlosť degradácie batérie. Čerešnička na torte - nízke výrobné náklady a jednoduché škálovanie.

Ultra rýchle nabíjanie hliníkovo-iónovej batérie

Stanford vyvinul hliníkovo-iónovú batériu, ktorá sa úplne nabije za približne jednu minútu. V tomto prípade má samotná batéria určitú flexibilitu. Hlavným problémom je, že špecifická kapacita je približne polovičná oproti lítium-iónovým batériám. Aj keď vzhľadom na rýchlosť nabíjania to nie je také kritické.

Alfa batéria - dva týždne na vode

Ak sa Fuji Pigment podarí zdokonaliť svoju batériu Alfa, potom sa dočkáme vzniku nosičov energie, ktorých kapacita je 40-krát väčšia ako lítium-iónová. Ba čo viac, batéria je nabíjateľná dolievanie vody, obyčajné alebo solené. Podľa vývojárov bude Alfa na jedno nabitie schopná pracovať až dva týždne. Je možné, že sa takéto batérie najskôr objavia na elektromobiloch. Predstavte si čerpaciu stanicu, kde sa zastavíte po vodu.

Batérie, ktoré sa dajú zložiť ako papier

uBeam - nabíjanie vzduchom

uBeam je zaujímavý koncept na prenos energie do mobilného zariadenia pomocou ultrazvuku. Nabíjačka vysiela ultrazvukové vlny, ktoré sú zachytené prijímačom na prístroji a premieňajú sa na elektrinu. Vynález je zjavne založený na piezoelektrickom efekte: prijímač pod vplyvom ultrazvuku rezonuje a jeho vibrácie generujú energiu.

Podobnou cestou sa vydali aj vedci z Queen Mary University of London. Vytvorili prototyp smartfónu, ktorý sa nabíja jednoducho vďaka vonkajším zvukom vrátane hlasov ľudí.

StoreDot

Nabíjačku StoreDot vyvinul startup, ktorý vzišiel z Tel Avivskej univerzity. Laboratórna vzorka dokázala nabiť batériu Samsung Galaxy 4 za 30 sekúnd. Uvádza sa, že zariadenie je založené na organických polovodičoch vyrobených z peptidov. Koncom roka 2017 by sa mala dostať do predaja vrecková batéria schopná nabiť smartfóny za päť minút.

Transparentný solárny panel

Alcatel vyvinul prototyp priehľadného solárneho panelu, ktorý sa zmestí cez hornú časť obrazovky, takže telefón sa dá nabíjať jednoduchým umiestnením na slnko. Samozrejme, koncept nie je dokonalý, pokiaľ ide o pozorovacie uhly a výkon nabíjania. Ale myšlienka je to krásna.

O rok neskôr, v roku 2014, Tag Heuer oznámil novú verziu svojho predvádzacieho telefónu Tag Heuer Meridiist Infinite, ktorý mal mať medzi vonkajším sklom a samotným displejom priehľadný solárny panel. Je pravda, že nie je jasné, či sa dostal do výroby.

Štítky: Pridať štítky

Zoberme si úplne prvý prúdový zdroj, ktorý vynašiel Volta a pomenovaný po Galvanim.

Výhradne redoxná reakcia môže slúžiť ako zdroj prúdu v akýchkoľvek batériách. V skutočnosti ide o dve reakcie: atóm sa oxiduje, keď stratí elektrón. Príjem elektrónu sa nazýva obnova. To znamená, že redoxná reakcia prebieha v dvoch bodoch: kde a kde prúdia elektróny.

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

Vo všetkých CIT pred Li-ion je elektrolyt aktívnym účastníkom prebiehajúcich reakcií
pozri princíp fungovania olovenej batérie

Galvaniho chyba

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

Charakteristika HIT

Kapacita - počet elektrónov (elektrický náboj), ktoré môžu prejsť cez pripojené zariadenie, kým sa batéria úplne nevybije [Q] resp.
Kapacita celej batérie je tvorená kapacitami katódy a anódy: koľko elektrónov môže anóda dať a koľko elektrónov môže katóda prijať. Prirodzene, limitujúcim bude menší z dvoch kontajnerov.

Napätie - potenciálny rozdiel. energetická charakteristika, ktorá ukazuje, aký druh energie uvoľňuje jednotkový náboj pri prechode z anódy na katódu.

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

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

Trvanlivosť a kapacita teda do značnej miery závisí od rýchlosti nabíjania / vybíjania a od makroštruktúry elektródy.
Preto sa batéria nevyznačuje jedným parametrom, ale celým súborom pre rôzne režimy. Napríklad napätie batérie (prenos energie na jednotku nabitia **) možno odhadnúť ako prvú aproximáciu (v štádiu posudzovania perspektív materiálov) z hodnôt ionizačné energie atómov účinných látok pri oxidácii a redukcii. Ale skutočný význam je chemický rozdiel. potenciálov, na meranie ktorých, ako aj na meranie nabíjacích/vybíjacích kriviek, je zostavená testovacia bunka s testovanou elektródou a referenciou.

Pre elektrolyty na báze vodných roztokov sa používa štandardná vodíková elektróda. Pre lítium-iónové je to kovové lítium.

* Ionizačná energia je energia, ktorú je potrebné odovzdať elektrónu, aby sa prerušila väzba medzi ním a atómom. To znamená, že s opačným znamienkom predstavuje energiu väzby a systém sa vždy snaží minimalizovať energiu väzby
** Energia jedného prenosu - energia prenosu jedného elementárneho náboja 1,6e-19 [Q] * 1 [V] = 1,6e-19 [J] alebo 1eV (elektronvolt)

Lítium-iónové batérie

<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
Ako už bolo uvedené, v lítium-iónových batériách sa elektrolyt priamo nezúčastňuje reakcie. Kde prebiehajú dve hlavné reakcie: oxidácia a redukcia a ako sa vyrovnáva rovnováha náboja?
Tieto reakcie priamo prebiehajú medzi lítiom v anóde a atómom kovu v katódovej štruktúre. Ako je uvedené vyššie, objavenie sa lítium-iónových batérií nie je len objavom nových zlúčenín pre elektródy, je to objavenie nového princípu fungovania CPS:
Elektrón slabo pripojený k anóde je vyvrhnutý pozdĺž vonkajšieho vodiča ku katóde.
V katóde dopadá elektrón na obežnú dráhu kovu, čím kompenzuje 4. elektrón, ktorý z nej prakticky odoberá kyslík. Teraz je kovový elektrón konečne pripojený ku kyslíku a výsledné elektrické pole vtiahne lítny ión do medzery medzi vrstvami kyslíka. Obrovská energia lítium-iónových batérií je teda dosiahnutá tým, že sa nezaoberá obnovou vonkajších 1,2 elektrónov, ale obnovou hlbších. Napríklad pre kobolt 4. elektrón.
Lítiové ióny sú zadržané v katóde v dôsledku slabej (asi 10 kJ/mol) interakcie (van der Waals) s okolitými elektrónovými oblakmi atómov kyslíka (červená)

Li je tretí prvok v B, má nízku atómovú hmotnosť a malé rozmery. Vzhľadom na to, že lítium začína okrem toho až v druhom rade, veľkosť neutrálneho atómu je pomerne veľká, zatiaľ čo veľkosť iónu je veľmi malá, menšia ako veľkosť atómov hélia a vodíka, čo ho robí prakticky nenahraditeľným. v schéme LIB. ďalší dôsledok vyššie uvedeného: vonkajší elektrón (2s1) má zanedbateľné spojenie s jadrom a môže sa ľahko stratiť (to je vyjadrené tým, že lítium má najnižší potenciál vzhľadom na vodíkovú elektródu P = -3,04V).

Hlavné zložky LIB

Elektrolyt

Na rozdiel od tradičných batérií sa elektrolyt spolu so separátorom priamo nezúčastňuje reakcie, ale zabezpečuje len transport lítiových iónov a neumožňuje transport elektrónov.
Požiadavky na elektrolyt:
- dobrá iónová vodivosť
- nízka elektronika
- nízke náklady
- nízka hmotnosť
- netoxický
- SCHOPNOSŤ PREVÁDZKY V PREDNASTAVENOM ROZSAHU NAPÄTIA A TEPLOT
- zabrániť štrukturálnym zmenám elektród (zabrániť zníženiu kapacity)
V tejto recenzii si dovolím obísť tému elektrolytov, ktorá je síce technicky náročná, no pre našu tému nie je taká dôležitá. Ako elektrolyt sa používa hlavne roztok LiFP 6.
Aj keď sa elektrolyt so separátorom považuje za absolútny izolant, v skutočnosti to tak nie je:
V lítium-iónových článkoch dochádza k samovybíjaniu. tie. lítiový ión s elektrónmi sa dostane ku katóde cez elektrolyt. Pre prípad dlhodobého skladovania preto nechajte batériu čiastočne nabitú.
Pri dlhých prerušeniach prevádzky dochádza aj k javu starnutia, kedy sa jednotlivé skupiny uvoľňujú z rovnomerne nasýtených iónmi lítia, čím sa porušuje rovnomernosť koncentrácie a tým sa znižuje celková kapacita. Preto si pri kúpe batérie musíte skontrolovať dátum vydania

Anódy

Anódy sú elektródy, ktoré majú slabé spojenie s „hosťujúcim“ lítiovým iónom, ako aj so zodpovedajúcim elektrónom. V súčasnosti je boom vo vývoji rôznych riešení pre anódové lítium-iónové batérie.
Požiadavky na anódu

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

Metódy zlepšenia:

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

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

Anódy sú hostitelia. Grafit

Takmer každý si zo strednej školy pamätal, že uhlík existuje v pevnej forme v dvoch základných štruktúrach – grafit a diamant. Rozdiel vo vlastnostiach týchto dvoch materiálov je markantný: jeden je priehľadný, druhý nie. Jeden izolant - ďalší vodič, jeden reže sklo, druhý je vymazaný na papieri. Dôvodom je odlišný charakter medziatómových interakcií.
Diamant je kryštálová štruktúra, kde sa medziatómové väzby vytvárajú ako výsledok hybridizácie sp3, to znamená, že všetky väzby sú rovnaké - všetky tri 4 elektróny tvoria σ-väzby s iným atómom.
Grafit vzniká hybridizáciou sp2, ktorá určuje vrstvenú štruktúru a slabú väzbu medzi vrstvami. Plávajúca kovalentná π-väzba robí uhlík-grafit vynikajúcim vodičom
Grafit je prvý a v súčasnosti hlavný anódový materiál s mnohými výhodami.
Vysoká elektronická vodivosť
Vysoká iónová vodivosť
Malé objemové deformácie po začlenení atómov lítia
Nízke náklady
Prvý grafit ako materiál pre anódu navrhol už v roku 1982 S. Basu a do lítium-iónového článku ho zaviedol v roku 1985 A. Yoshino
Najprv sa v elektróde používal grafit v prírodnej forme a jej kapacita dosahovala len 200 mAh/g. Hlavným zdrojom zvýšenia kapacity bolo zlepšenie kvality grafitu (zlepšenie štruktúry a čistenie od nečistôt). Faktom je, že vlastnosti grafitu sa výrazne líšia v závislosti od jeho makroštruktúry a prítomnosť mnohých anizotropných zŕn v štruktúre, orientovaných iným spôsobom, výrazne zhoršuje difúzne vlastnosti látky. Inžinieri sa snažili zvýšiť stupeň grafitizácie, no jej zvýšenie viedlo k rozkladu elektrolytu. Prvým riešením bolo použitie drveného nízko grafitizovaného uhlíka zmiešaného s elektrolytom, čím sa zvýšila anódová kapacita na 280mAh/g (technológia je stále široko používaná).To bolo prekonané v roku 1998 zavedením špeciálnych prísad do elektrolytu, ktoré vytvárajú ochranná vrstva na prvom cykle (ďalej SEI rozhranie pevného elektrolytu) zabraňujúca ďalšiemu rozkladu elektrolytu a umožňujúca použitie umelého grafitu 320 mAh / g. Kapacita grafitovej anódy už dosiahla 360 mAh / g a kapacita celej elektródy je 345 mAh / g a 476 Ah / l.

Reakcia: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

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

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

Anódy Tin & Co. Zliatiny

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

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

Snáď najprepracovanejším prvkom tejto skupiny je cín:
keďže je najťažšie, poskytuje zložitejšie riešenia: maximálna teoretická kapacita takejto anódy je 960 mAh / g, ale kompaktná (7 000 Ah / l - 1 960 Ah / l *) napriek tomu prekonáva tradičné uhlíkové anódy o 3 a 8 (2,7 * ) krát, resp.
Najsľubnejšie sú anódy na báze kremíka, ktoré sú teoreticky (4200 mAh / g ~ 3590 mAh / g) viac ako 10-krát ľahšie a 11 (3,14 *)-krát kompaktnejšie (9340 Ah / l ~ 2440 Ah / l *) ako grafit tie.
Si nemá dostatočnú elektronickú a iónovú vodivosť, preto je potrebné hľadať ďalšie prostriedky na zvýšenie výkonu anódy
Ge, germánium sa nespomína tak často ako Sn a Si, ale ako medziprodukt má veľkú kapacitu (1 600 mAh / g ~ 2 200 * Ah / l) a 400-krát vyššiu iónovú vodivosť ako Si, čo môže prevážiť jeho vysoké náklady v vytváranie vysokovýkonnej elektrotechniky

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

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

Čím viac, tým väčší je kontakt elektródy so vzduchom (čím väčší je povrch, t.j. jemnejšia štruktúra)
Boli vyvinuté rôzne schémy, ktoré umožňujú v tej či onej miere využiť veľký potenciál týchto zlúčenín a vyhladzovať nedostatky. Avšak, rovnako ako výhody:
Všetky tieto materiály sa v súčasnosti používajú v kombinovaných anódach s grafitom, čím sa ich charakteristiky zvyšujú o 20-30%

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

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

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

Existujúci vývoj

Všetky existujúce riešenia problému veľkých deformácií anódy vychádzajú z jednej úvahy: pri rozširovaní je príčinou mechanického namáhania monolitická povaha systému: rozbitie monolitickej elektródy na mnoho možných menších štruktúr, čo im umožňuje expandovať nezávisle od navzájom.
Prvým, najzrejmejším spôsobom je jednoduché rozomletie hmoty pomocou nejakého držiaka, ktorý zabráni zjednocovaniu častíc do väčších, ako aj nasýteniu výslednej zmesi elektronicky vodivými činidlami. Podobné riešenie by sa dalo vysledovať vo vývoji grafitových elektród. Táto metóda umožnila dosiahnuť určitý pokrok vo zvyšovaní kapacity anód, ale napriek tomu, až do úplného využitia potenciálu uvažovaných materiálov, zvýšenie kapacity (objemovej aj hmotnostnej) anódy o ~ 10-30 % (400 -550 mAh / g) pri nízkej spotrebe
Relatívne skorý spôsob zavádzania nanočastíc cínu (elektrolýzou) na povrch grafitových guľôčok,
Dômyselný a jednoduchý prístup k problému umožnil vytvoriť účinnú batériu s použitím konvenčného priemyselne získaného prášku 1668 Ah / l
Ďalším krokom bol prechod od mikročastíc k nanočasticiam: najmodernejšie batérie a ich prototypy skúmajú a formujú štruktúry hmoty v nanometrovej mierke, čo umožnilo zvýšiť kapacitu na 500-600 mAh/g (~ 600 Ah / l *) s prijateľnou životnosťou

Jedným z mnohých perspektívnych typov nanoštruktúr v elektródach je tzv. konfigurácia plášť-jadro, kde jadro je guľa s malým priemerom vyrobená z pracovnej látky a plášť slúži ako „membrána“ zabraňujúca rozptylu častíc a zabezpečujúca elektronickú komunikáciu s okolím. Použitie medi ako plášťa pre nanočastice cínu ukázalo pôsobivé výsledky, ukazujúce vysokú kapacitu (800 mAh / g - 540 mAh / g *) pre mnoho cyklov, ako aj pri vysokých nabíjacích / vybíjacích prúdoch. V porovnaní s uhlíkovým obalom (600 mAh / g) je to rovnaké pre Si-C. Keďže nanoguľôčky pozostávajú výlučne z aktívnej látky, ich objemová kapacita by mala byť uznaná ako jedna z najvyšších (1740 Ah / l (* ))

Ako bolo uvedené, priestor na expanziu je potrebný na zmiernenie škodlivých účinkov náhlej expanzie pracovnej látky.
V minulom roku výskumníci urobili pôsobivý pokrok vo vytváraní funkčných nanoštruktúr: nano tyčí
Jaephil Cho dosahuje nízky výkon 2800 mAh/g pri 100 cykloch a 2600 → 2400 pri vyššom výkone pomocou poréznej silikónovej štruktúry
ako aj stabilné Si nanovlákna potiahnuté 40nm grafitovým filmom, demonštrujúce 3400 → 2750 mAh / g (aktívne) po 200 cykloch.
Yan Yao et al. Navrhujú použiť Si vo forme dutých guľôčok, čím sa dosiahne úžasná životnosť: počiatočná kapacita 2725 mAh / g (a iba 336 Ah / l (*)), keď kapacita po 700 cykloch klesne o menej ako 50 %

V septembri 2011 vedci z Berkley Lab oznámili vytvorenie stabilného elektronicky vodivého gélu,
čo by mohlo spôsobiť revolúciu v používaní kremíkových materiálov. Význam tohto vynálezu je ťažké preceňovať: nový gél môže slúžiť ako držiak aj vodič, čím sa zabráni koalescencii nanočastíc a strate kontaktu. Umožňuje použitie lacných priemyselných práškov ako aktívneho materiálu a podľa pokynov tvorcov je cenovo porovnateľný s tradičnými držiakmi. Elektróda vyrobená z priemyselných materiálov (Si nano prášok) poskytuje stabilných 1360 mAh / g a veľmi vysokých 2100 Ah / l (*)

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

Aplikácia

Špeciálne prípady elektródových štruktúr:

Odhad skutočnej kapacity nanočastíc cínu potiahnutých meďou [e-mail chránený]

Objemový pomer častíc je známy z článku 1 až 3 m




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

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

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

Výmena reakčných anód. Oxidy kovov.

Do skupiny perspektívnych nepochybne patria aj oxidy kovov, ako je Fe 2 O 3 . Tieto materiály, ktoré majú vysokú teoretickú kapacitu, tiež vyžadujú riešenia na zvýšenie diskrétnosti aktívnej látky elektródy. V tejto súvislosti sa tu bude venovať náležitá pozornosť takej významnej nanoštruktúre, akou je nanovlákno.
Oxidy ukazujú tretí spôsob, ako zahrnúť a vylúčiť lítium v ​​štruktúre elektródy. Ak sa lítium v ​​grafite nachádza hlavne medzi vrstvami grafénu, v roztokoch s kremíkom je zakomponované do jeho kryštálovej mriežky, tak tu dochádza skôr k „kyslíkovej výmene“ medzi „hlavným“ kovom elektródy a hosťom – lítiom. V elektróde sa vytvorí pole oxidu lítneho a základný kov sa dostane do nanočastíc vo vnútri matrice (pozri napr. na obrázku reakcia s oxidom molybdénovým MoO 3 + 6Li + + 6e -<-->3Li20 + Mo)
Z tohto typu interakcie vyplýva potreba ľahkého pohybu kovových iónov v štruktúre elektródy, t.j. vysoká difúzia, čo znamená prechod na jemné častice a nanoštruktúry

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

Pár slov o nanovláknách

V poslednej dobe sú nanovlákna jednou z najhorúcejších tém publikácií v oblasti materiálovej vedy, najmä tých, ktoré sa venujú sľubným batériám, pretože poskytujú veľký aktívny povrch s dobrou väzbou medzi časticami.
Spočiatku sa nanovlákna používali ako typ nanočastíc aktívneho materiálu, ktoré v homogénnej zmesi s držiakom a vodivými látkami tvoria elektródu.
Otázka hustoty balenia nanovlákien je veľmi zložitá, pretože závisí od mnohých faktorov. A zrejme zámerne prakticky neosvetlené (konkrétne vo vzťahu k elektródam). To samo osebe sťažuje analýzu skutočných indikátorov celej anódy. Na vypracovanie hodnotiaceho posudku sa autor odvážil použiť prácu R. E. Mucka venovanú rozboru hustoty sena v bunkroch. Na základe SEM snímok nanovlákien by optimistická analýza hustoty balenia bola 30 – 40 %
V posledných 5 rokoch sa väčšia pozornosť sústredila na syntézu nanovlákien priamo na pantografe, čo má množstvo vážnych výhod:
Je zabezpečený priamy kontakt pracovného materiálu s pantografom, zlepšuje sa kontakt s elektrolytom a odpadá potreba grafitových prísad. prejde niekoľkými fázami výroby, hustota balenia pracovnej látky sa výrazne zvýši.
K. Chan a spoluautori testujúci nanovlákna Ge získali 1000 mAh / g (800 Ah / l) pri nízkej spotrebe a 800 → 550 (650 → 450 Ah / l *) pri 2 ° C po 50 cykloch. Yanguang Li a spoluautori zároveň preukázali vysokú kapacitu a obrovský výkon Co 3 O 4: 1100 → 800 mAh / g (880 → 640 Ah / l *) po 20 cykloch a 600 mAh / g (480 Ah / l *) pri 20-násobnom zvýšení prúdu

Inšpiratívne diela A. Belchera **, ktoré sú prvými krokmi do novej éry biotechnológií, si treba osobitne všimnúť a odporučiť každému na zoznámenie.
Po modifikácii bakteriofágového vírusu sa A. Belcherovi podarilo na jeho báze vybudovať nanovlákna pri izbovej teplote, vďaka prirodzenému biologickému procesu. Vzhľadom na vysokú štrukturálnu čistotu takýchto vlákien sú výsledné elektródy nielen šetrné k životnému prostrediu, ale vykazujú aj zhutnenie zväzku vlákien a výrazne odolnejšiu prevádzku.

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

Aplikácia

Ako už bolo povedané, k anódovému náboju dochádza prostredníctvom reakcie

V literatúre som nenašiel žiadny údaj o skutočných rýchlostiach rozpínania elektródy pri nabíjaní, preto ich navrhujem hodnotiť čo najmenšími zmenami. Teda pomerom molárnych objemov činidiel a reakčných produktov (V Lihitated - objem nabitej anódy, V UnLihitated - objem vybitej anódy) Hustoty kovov a ich oxidov možno ľahko nájsť v otvorených zdrojoch .

Kalkulačné fóra	Príklad výpočtu pre MoO 3

Treba mať na pamäti, že získaná objemová kapacita je kapacita spojitej účinnej látky, preto v závislosti od typu štruktúry účinná látka zaberá inú časť objemu celého materiálu, čo sa bude brať do úvahy. zavedením koeficientu balenia k p. Napríklad pre prášok je to 50-70%

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

Lítium-iónový HIT. Katódy

Katódy lítium-iónových batérií by mali byť hlavne schopné prijímať lítiové ióny a poskytovať vysoké napätie, a teda spolu s kapacitou aj vysokú energiu.

Zaujímavá situácia sa vyvinula pri vývoji a výrobe katód Li-Ion batérií. V roku 1979 John Goodenough a Mizuchima Koichi patentovali katódy Li-Ion batérií s vrstvenou štruktúrou, ako je LiMO2, ktorá pokrýva takmer všetky existujúce katódy lítium-iónových batérií.
Kľúčové prvky katódy
kyslík, ako spojovací článok, most a tiež „priľnavé“ lítium so svojimi elektrónovými oblakmi.
Prechodný kov (t. j. kov s valenčnými d-orbitálmi), pretože môže vytvárať štruktúry s rôznym počtom väzieb. Prvé katódy používali síru TiS 2, ale potom prešli na kyslík, kompaktnejší, a čo je najdôležitejšie, elektronegatívny prvok, ktorý poskytuje takmer úplnú iónovú väzbu s kovmi. Vrstvená štruktúra LiMO 2 (*) je najbežnejšia a celý vývoj je postavený na troch kandidátoch M = Co, Ni, Mn a neustále sa pozerá na veľmi lacné Fe.

kobalt, napriek mnohým veciam Olympus okamžite zachytil a stále si ho udržiava (90% katód), no vďaka vysokej stabilite a správnosti vrstvenej štruktúry so 140 mAh / g sa kapacita LiCoO 2 zvýšila na 160- 170mAh / g, kvôli rozšíreniu rozsahu napätia. Ale kvôli svojej vzácnosti pre Zem je Co príliš drahý a jeho použitie v čistej forme môže byť opodstatnené iba v malých batériách, napríklad pre telefóny. 90 % trhu zaberá úplne prvá a doteraz stále najkompaktnejšia katóda.
nikel bol a zostáva sľubným materiálom s vysokými 190 mA / g, ale je oveľa menej stabilný a takáto vrstvená štruktúra v čistej forme pre Ni neexistuje. Extrakcia Li z LiNiO 2 produkuje takmer 2-krát viac tepla ako z LiCoO 2, čo robí jeho použitie v tejto oblasti neprijateľným.
mangán... Ďalšou dobre preštudovanou štruktúrou je štruktúra vynájdená v roku 1992. Jean-Marie Tarasco, oxid mangánová spinelová katóda LiMn 2 O 4: s mierne nižšou kapacitou je tento materiál oveľa lacnejší ako LiCoO 2 a LiNiO 2 a oveľa spoľahlivejší. Dnes je to dobrá voľba pre hybridné vozidlá. Najnovší vývoj súvisí so zlievaním niklu kobaltom, čo výrazne zlepšuje jeho štruktúrne vlastnosti. Významné zlepšenie stability bolo zaznamenané aj pri legovaní Ni elektrochemicky neaktívnym Mg: LiNi 1-y Mg y O 2. Pre lítium-iónové katódy je známych veľa zliatin LiMn x O2x.
Základný problém- ako zvýšiť kapacitu. Pri cíne a kremíku sme už videli, že najzrejmejším spôsobom zvýšenia kapacity je cestovanie po periodickej tabuľke, ale nanešťastie neexistuje nič nad prechodnými kovmi, ktoré sa v súčasnosti používajú (obrázok vpravo). Preto je všetok pokrok posledných rokov spojený s katódami vo všeobecnosti spojený s odstránením nedostatkov existujúcich: zvýšenie trvanlivosti, zlepšenie kvality, štúdium ich kombinácií (obr. vľavo hore)
železo... Od začiatku lítium-iónovej éry bolo veľa pokusov použiť železo v katódach, ale všetky bezvýsledne. Hoci by LiFeO 2 bola ideálna lacná a výkonná katóda, ukázalo sa, že Li nemožno zo štruktúry extrahovať v normálnom rozsahu napätia. Situácia sa radikálne zmenila v roku 1997 štúdiom elektrických vlastností olivínu LiFePO 4. Vysoká kapacita (170 mAh / g) asi 3,4 V s lítiovou anódou a bez vážneho poklesu kapacity ani po niekoľkých stovkách cyklov. Po dlhú dobu bola hlavnou nevýhodou olivínu jeho slabá vodivosť, ktorá výrazne obmedzovala výkon. Na nápravu situácie sa pristúpilo ku klasickým ťahom (brúsenie s grafitovým povlakom), pri použití gélu s grafitom bolo možné dosiahnuť vysoký výkon pri 120mAh/g na 800 cyklov. Skutočne obrovský pokrok sa dosiahol s nedostatočným dopingom Nb, čím sa zvýšila vodivosť o 8 rádov.
Všetko nasvedčuje tomu, že Olivín sa stane najmasívnejším materiálom pre elektromobily. O výhradné vlastníctvo práv na LiFePO 4 sa už niekoľko rokov žaluje spoločnosť A123 Systems Inc. a Black & Decker Corp, nie bezdôvodne veria, že ide o budúcnosť elektrických vozidiel. Nečudujte sa, ale patenty sú vydané rovnakému kapitánovi katód - Johnovi Goodenoughovi.
Olivín dokázal možnosť využitia lacných materiálov a rozbil akúsi platinu. Do vytvoreného priestoru sa okamžite vrútila inžinierska myšlienka. Takže napríklad teraz sa aktívne diskutuje o náhrade síranov fluorofosfátmi, ktoré zvýšia napätie o 0,8 V, t.j. Zvýšte energiu a výkon o 22%.
Vtipné: zatiaľ čo existuje spor o právach na používanie olivínu, narazil som na mnohých noname výrobcov, ktorí ponúkajú články na novej katóde,

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

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

Aplikácia

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

Napríklad pre Co

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

V súčasnosti zlepšenie technického procesu umožnilo zvýšiť rýchlosť extrakcie a dosiahnuť 160 mAh / g
Ale samozrejme väčšina púdrov na trhu tieto hodnoty nedosahuje.

Organická éra.
Na začiatku recenzie sme za jeden z hlavných hnacích faktorov prechodu na elektrické vozidlá označili znižovanie znečistenia životného prostredia. Ale vezmite si napríklad moderné hybridné auto: určite spáli menej paliva, no pri výrobe 1 kWh batérie spáli asi 387 kWh uhľovodíkov. Samozrejme, že takéto auto vypúšťa menej škodlivín, no skleníkový plyn pri výrobe stále neuniká (70-100 kg CO 2 na 1 kWh). Navyše v modernej konzumnej spoločnosti sa tovary nepoužívajú, kým sa nevyčerpajú ich zdroje. To znamená, že obdobie na „získanie“ tohto energetického úveru nie je dlhé a likvidácia moderných batérií je drahá a nie vždy dostupná. Energetická účinnosť moderných batérií je teda stále otázna.
Nedávno sa objavilo niekoľko povzbudivých biotechnológií, ktoré umožňujú syntetizovať elektródy pri izbovej teplote. A. Belcher (vírusy), J.M. Tarasco (použitie baktérií).

Vynikajúcim príkladom takéhoto sľubného biomateriálu je litizovaný oxokarbón - Li 2 C 6 O 6 (radisonát lítny), ktorý so schopnosťou reverzibilne poňať až štyri Li na vzorec vykazoval vysokú gravimetrickú kapacitu, ale keďže zníženie je spojené s pí väzbami o niečo nižším -potenciálom (2,4 V). Podobne aj iné aromatické kruhy sa považujú za základ pre kladnú elektródu, ako aj hlásenie výrazného odľahčenia batérií.
Hlavnou „nevýhodou“ akýchkoľvek organických zlúčenín je ich nízka hustota, pretože celá organická chémia sa zaoberá ľahkými prvkami C, H, O a N. Aby sme pochopili, aký je tento smer sľubný, stačí povedať, že tieto látky sa dajú získať z jabĺk a kukurice a tiež sa dajú ľahko využiť a spracovať.
Lítium radisonát by sa už považoval za najsľubnejšiu katódu pre automobilový priemysel, ak nie pre obmedzenú prúdovú hustotu (výkon) a najperspektívnejšiu pre prenosnú elektroniku, ak nie pre nízku hustotu materiálu (nízka obj. kapacita) (obr. vľavo ). Zatiaľ je to len jedna z najsľubnejších oblastí práce.

mobilné zariadenia

Pridať značky