Studie heeft een manier ontdekt om batterijen die we elke dag gebruiken veerkrachtiger, krachtiger en veiliger te maken.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on elektriciteit or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A Accu is a device that stores chemical energy that gets converted into electricity. Batteries are likemini chemical reactors having reaction producing electronsfull of energy which flow through the external device.Whether its cell phones or laptops or other even electric vehicles, batteries – generally lithium-ion – is the main power source for these technologies. As technology keeps advancing, there is continuous demand for more compact, high capacity, and safe rechargeable batteries.
Batterijen hebben een lange en roemrijke geschiedenis. De Amerikaanse wetenschapper Benjamin Franklin gebruikte de term 'batterij' voor het eerst in 1749 toen hij experimenten uitvoerde met elektriciteit met behulp van een set gekoppelde condensatoren. De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta vond de eerste batterij uit in 1800 toen hij schijven van koper (Cu) en zink (Zn) van elkaar gescheiden door een doek gedrenkt in zout water. De loodzuurbatterij, een van de meest duurzame en oudste oplaadbare batterijen, werd uitgevonden in 1859 en wordt zelfs vandaag de dag nog steeds gebruikt in veel apparaten, waaronder de verbrandingsmotor in voertuigen.
Batterijen hebben een lange weg afgelegd en tegenwoordig zijn ze verkrijgbaar in verschillende maten, van grote Megawatt-formaten, dus in theorie kunnen ze stroom van zonneparken opslaan en ministeden verlichten, of ze kunnen zo klein zijn als die in elektronische horloges worden gebruikt , geweldig is het niet. In een zogenaamde primaire batterij, is de reactie die de stroom van elektronen produceert onomkeerbaar en uiteindelijk, wanneer een van zijn reactanten wordt verbruikt, raakt de batterij leeg of sterft. De meest voorkomende primaire batterij is de zink-koolstofbatterij. Deze primaire batterijen vormden een groot probleem en de enige manier om het weggooien van dergelijke batterijen aan te pakken, was een methode te vinden waarmee ze konden worden hergebruikt, namelijk door ze oplaadbaar te maken. Vervanging van batterijen door nieuwe was duidelijk onpraktisch en dus naarmate de batterijen meer werden krachtige en groot werd het bijna onmogelijk om niet te zeggen vrij duur om ze te vervangen en weg te gooien.
Nickel-cadmium battery (NiCd) was the first popular rechargeable batteries which used an alkali as an electrolyte. In 1989 nickel-metal hydrogen batteries (NiMH) were developed having longer life than NiCd batteries. However, they had some drawbacks, mainly that they were very sensitive to overcharging and overheating specially when they were charged say to their maximum rate. Therefore, they had to be charged slowly and carefully to avoid any damage and required longer times to get charged by simpler chargers.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer elektronische devices today. Lithium is one of the lightest elements and it has one of the largest electrochemical potentials, therefore this combination is ideally suited for making batteries. In LIBs, lithium ions move between different electrodes through an electrolyte which is made of salt and organisch oplosmiddelen (in de meeste traditionele LIB's). Theoretisch is lithiummetaal het meest elektrisch positieve metaal met een zeer hoge capaciteit en de best mogelijke keuze voor batterijen. Wanneer LIB's te weinig opladen, wordt het positief geladen lithiumion lithiummetaal. LIB's zijn dus de populairste oplaadbare batterijen voor gebruik in allerlei draagbare apparaten vanwege hun lange levensduur en hoge capaciteit. Een groot probleem is echter dat de elektrolyt gemakkelijk kan verdampen, waardoor kortsluiting in de batterij ontstaat en dit brandgevaar kan opleveren. In de praktijk zijn LIB's erg onstabiel en inefficiënt, omdat de lithiumdisposities na verloop van tijd niet-uniform worden. LIB's hebben ook lage laad- en ontlaadsnelheden en veiligheidsoverwegingen maken ze niet levensvatbaar voor veel machines met hoog vermogen en hoge capaciteit, bijvoorbeeld elektrische en hybride elektrische voertuigen. Er is gemeld dat LIB in zeer zeldzame gevallen een goede capaciteit en retentiepercentages vertoont.
Dus niet alles is perfect in de wereld van batterijen, aangezien in de afgelopen jaren veel batterijen als onveilig zijn gemarkeerd omdat ze vlam vatten, onbetrouwbaar en soms inefficiënt zijn. Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar batterijen die klein, veilig oplaadbaar, lichter, veerkrachtiger en tegelijkertijd krachtiger zullen zijn. Daarom is de focus verschoven naar vastestofelektrolyten als het potentiële alternatief. Dit als het doel houden veel opties zijn door wetenschappers geprobeerd, maar stabiliteit en schaalbaarheid waren een hindernis van de meeste onderzoeken. Polymeerelektrolyten hebben een groot potentieel getoond omdat ze niet alleen stabiel, maar ook flexibel en ook goedkoop zijn. Helaas is het belangrijkste probleem met dergelijke polymeerelektrolyten hun slechte geleidbaarheid en mechanische eigenschappen.
In een recente studie gepubliceerd in ACS Nano Letters, onderzoekers have shown that a battery’s safety and even many other properties can be enhanced by adding nanowires to it, making the battery superior. This team of researchersfrom College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, China have built upon their previous research where they made magnesium borate nanowires which exhibited good mechanical properties and conductivity. In the current study they checked if this would also be true for batteries when such nanodraden worden toegevoegd aan een polymeerelektrolyt in vaste toestand. Elektrolyt in vaste toestand werd gemengd met nanodraden van 5, 10, 15 en 20 gewichten magnesiumboraat. Het bleek dat de nanodraden de geleidbaarheid van de vastestofpolymeerelektrolyt verhoogden, waardoor de batterijen steviger en veerkrachtiger werden in vergelijking met eerder zonder nanodraden. Deze toename in geleidbaarheid was te wijten aan de toename van het aantal ionen dat met een veel hogere snelheid door de elektrolyt passeerde en zich verplaatst. De hele set-up was als een batterij, maar met toegevoegde nanodraden. Dit toonde een hogere prestatie en meer cycli in vergelijking met normale batterijen. Er werd ook een belangrijke ontvlambaarheidstest uitgevoerd en men zag dat de batterij niet brandde. De veelgebruikte draagbare toepassingen van vandaag, zoals mobiele telefoons en laptops, moeten worden geüpgraded met maximale en meest compacte opgeslagen energie. Dit verhoogt uiteraard het risico op gewelddadige ontlading en het is voor dergelijke apparaten beheersbaar vanwege het kleine formaat van de benodigde batterijen. Maar aangezien grotere toepassingen van batterijen worden ontworpen en uitgeprobeerd, worden veiligheid, duurzaamheid en kracht van het allergrootste belang.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire-compatibele multifunctionele solid-state elektrolyten met hoge ionische geleidbaarheid, uitstekende mechanische eigenschappen en vlamvertragende prestaties. Nano-brieven. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
