ADVERTENTIE

Gebruik van nanodraden om veiligere en krachtigere batterijen te produceren

Studie heeft een manier ontdekt om batterijen die we elke dag gebruiken veerkrachtiger, krachtiger en veiliger te maken.

Het jaar is 2018 en ons dagelijks leven wordt nu gevoed door verschillende gadgets die ofwel draaien elektriciteit of op batterijen. Onze afhankelijkheid van op batterijen werkende gadgets en apparaten groeit fenomenaal. A Accu is een apparaat dat chemische energie opslaat die wordt omgezet in elektriciteit. Batterijen zijn een soort mini-chemische reactoren die bij hun reactie elektronen produceren vol energie die door het externe apparaat stromen. Of het nu gaat om mobiele telefoons of laptops of andere zelfs elektrische voertuigen, batterijen – meestal lithium-ion – zijn de belangrijkste energiebron voor deze technologieën. Naarmate de technologie zich blijft ontwikkelen, is er voortdurend vraag naar compactere, hogere capaciteit en veilige oplaadbare batterijen.

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.

Nikkel-cadmiumbatterij (NiCd) was de eerste populaire oplaadbare batterij die een alkali als elektrolyt gebruikte. In 1989 werden nikkel-metaal-waterstofbatterijen (NiMH) ontwikkeld die een langere levensduur hadden dan NiCd-batterijen. Ze hadden echter enkele nadelen, vooral dat ze erg gevoelig waren voor overladen en oververhitting, vooral als ze bijvoorbeeld tot het maximale tarief werden opgeladen. Daarom moesten ze langzaam en voorzichtig worden opgeladen om schade te voorkomen en hadden ze langere tijd nodig om te worden opgeladen door eenvoudigere opladers.

Lithium-ionbatterijen (LIB's), uitgevonden in 1980, zijn de meest gebruikte batterijen bij consumenten elektronische apparaten vandaag. Lithium is een van de lichtste elementen en heeft een van de grootste elektrochemische mogelijkheden. Daarom is deze combinatie bij uitstek geschikt voor het maken van batterijen. In LIB's bewegen lithiumionen tussen verschillende elektroden door een elektrolyt dat is gemaakt van zout en 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 hebben aangetoond dat de veiligheid van een batterij en zelfs vele andere eigenschappen kunnen worden verbeterd door er nanodraden aan toe te voegen, waardoor de batterij superieur wordt. Dit team van onderzoekers van het College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, China heeft voortgebouwd op hun eerdere onderzoek waarbij ze magnesiumboraat-nanodraden maakten die goede mechanische eigenschappen en geleidbaarheid vertoonden. In het huidige onderzoek hebben ze gecontroleerd of dit ook zou gelden voor batterijen 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

SCIEU-team
SCIEU-teamhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Wetenschappelijk Europees® | SCIEU.com | Aanzienlijke vooruitgang in de wetenschap. Impact op de mensheid. Inspirerende geesten.

Abonneer u op onze nieuwsbrief

Om op de hoogte te blijven van het laatste nieuws, aanbiedingen en speciale aankondigingen.

Meest populaire artikelen

Ontdekking van een nieuw menselijk eiwit dat functioneert als RNA-ligase: eerste rapport van zo'n eiwit...

RNA-ligasen spelen een belangrijke rol bij RNA-reparatie,...

Ter herinnering aan professor Peter Higgs, bekend van het Higgs-deeltje 

De Britse theoretisch natuurkundige professor Peter Higgs, bekend vanwege het voorspellen...

Epileptische aanvallen detecteren en stoppen

Onderzoekers hebben aangetoond dat een elektronisch apparaat kan detecteren en...
- Advertentie -
94,343FansLike
47,641volgersVolg
1,772volgersVolg
30abonneesAbonneren