კვლევამ აღმოაჩინა ბატარეების დამზადების გზა, რომელსაც ყოველდღიურად ვიყენებთ, რათა იყოს უფრო მდგრადი, ძლიერი და უსაფრთხო.
2018 წელია და ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრება ახლა იკვებება სხვადასხვა გაჯეტებით, რომლებიც ან მუშაობენ ელექტროენერგიის ან ბატარეებზე. ბატარეით მომუშავე გაჯეტებსა და მოწყობილობებზე ჩვენი დამოკიდებულება ფენომენალურად იზრდება. ა ბატარეის არის მოწყობილობა, რომელიც ინახავს ქიმიურ ენერგიას, რომელიც გარდაიქმნება ელექტროენერგიად. ბატარეები ჰგავს მინი ქიმიურ რეაქტორებს, რომლებიც წარმოქმნიან რეაქციას ელექტრონებით სავსე, რომელიც მიედინება გარე მოწყობილობაში. იქნება ეს მისი მობილური ტელეფონები თუ ლეპტოპები თუ სხვა ელექტრო მანქანებიც კი, ბატარეები - ზოგადად ლითიუმ-იონური - არის ენერგიის მთავარი წყარო ამ ტექნოლოგიებისთვის. ტექნოლოგიის წინსვლისას, უწყვეტი მოთხოვნაა უფრო კომპაქტურ, მაღალი ტევადობის და უსაფრთხო დატენვის ბატარეებზე.
ბატარეებს გრძელი და დიდებული ისტორია აქვთ. ამერიკელმა მეცნიერმა ბენჯამინ ფრანკლინმა პირველად გამოიყენა ტერმინი "ბატარეა" 1749 წელს, როდესაც ატარებდა ექსპერიმენტებს ელექტროენერგიასთან დაკავშირებული კონდენსატორების გამოყენებით. იტალიელმა ფიზიკოსმა ალესანდრო ვოლტამ გამოიგონა პირველი ბატარეა 1800 წელს, როდესაც სპილენძის (Cu) და თუთიის (Zn) დისკები გამოეყო მარილიან წყალში დასველებული ქსოვილით. ტყვიის მჟავა ბატარეა, ერთ-ერთი ყველაზე გამძლე და უძველესი დატენვის ბატარეა გამოიგონეს 1859 წელს და დღემდე გამოიყენება ბევრ მოწყობილობაში, მათ შორის მანქანებში შიდა წვის ძრავაში.
ბატარეებმა დიდი გზა გაიარეს და დღეს ისინი სხვადასხვა ზომისაა დიდი მეგავატიდან, ასე რომ თეორიულად მათ შეუძლიათ ენერგიის შენახვა მზის ფერმებიდან და ანათებენ მინი ქალაქებს ან შეიძლება იყოს ისეთივე პატარა, როგორც ელექტრონულ საათებში გამოყენებული. , საოცარია არა. ის, რასაც პირველადი ბატარეა ჰქვია, რეაქცია, რომელიც წარმოქმნის ელექტრონების ნაკადს, შეუქცევადია და საბოლოოდ, როდესაც მისი ერთ-ერთი რეაგენტი მოიხმარება, ბატარეა ბრტყელდება ან კვდება. ყველაზე გავრცელებული პირველადი ბატარეა არის თუთია-ნახშირბადის ბატარეა. ეს პირველადი ბატარეები დიდ პრობლემას წარმოადგენდა და ასეთი ბატარეების განადგურების გადასაჭრელად ერთადერთი გზა იყო მეთოდის პოვნა, რომლითაც შესაძლებელი იქნებოდა მათი ხელახლა გამოყენება - რაც ნიშნავს მათი დატენვის საშუალებას. ბატარეების ახლით ჩანაცვლება აშკარად არაპრაქტიკული იყო და შესაბამისად ბატარეები უფრო და უფრო ხდებოდა ძლიერი და დიდი შეუძლებელი გახდა რომ აღარაფერი ვთქვათ საკმაოდ ძვირი მათი გამოცვლა და განკარგვა.
ნიკელ-კადმიუმის ბატარეა (NiCd) იყო პირველი პოპულარული მრავალჯერადი დატენვის ბატარეები, რომლებიც იყენებდნენ ტუტეს ელექტროლიტად. 1989 წელს შეიქმნა ნიკელ-ლითონის წყალბადის ბატარეები (NiMH), რომლებსაც აქვთ უფრო გრძელი სიცოცხლე, ვიდრე NiCd ბატარეები. თუმცა, მათ ჰქონდათ გარკვეული ნაკლოვანებები, ძირითადად ის, რომ ისინი ძალიან მგრძნობიარენი იყვნენ გადატვირთვისა და გადახურების მიმართ, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ისინი დამუხტავდნენ, ვთქვათ, მაქსიმალურ განაკვეთზე. ამიტომ, ისინი უნდა დამუხტვა ნელა და ფრთხილად, რათა თავიდან იქნას აცილებული რაიმე დაზიანება და უფრო მეტი დრო დასჭირდა უფრო მარტივი დამტენებით დამუხტვას.
1980 წელს გამოგონილი ლითიუმ-იონური ბატარეები (LIB) არის ყველაზე ხშირად გამოყენებული ბატარეები მომხმარებლებში. ელექტრონული მოწყობილობები დღეს. ლითიუმი ერთ-ერთი ყველაზე მსუბუქი ელემენტია და მას აქვს ერთ-ერთი უდიდესი ელექტროქიმიური პოტენციალი, ამიტომ ეს კომბინაცია იდეალურად შეეფერება ბატარეების დასამზადებლად. LIB-ებში ლითიუმის იონები მოძრაობენ სხვადასხვა ელექტროდებს შორის ელექტროლიტის მეშვეობით, რომელიც დამზადებულია მარილისგან და ორგანული გამხსნელები (უმეტეს ტრადიციულ LIB-ებში). თეორიულად, ლითიუმის მეტალი არის ყველაზე ელექტრულად დადებითი ლითონი, რომელსაც აქვს ძალიან მაღალი ტევადობა და არის საუკეთესო არჩევანი ბატარეებისთვის. როდესაც LIB-ები არასაკმარისად იტენება, დადებითად დამუხტული ლითიუმის იონი ხდება ლითიუმის ლითონი. ამრიგად, LIB არის ყველაზე პოპულარული მრავალჯერადი დატენვის ბატარეები, რომლებიც გამოიყენება ყველა სახის პორტატულ მოწყობილობაში მათი ხანგრძლივი სიცოცხლისა და მაღალი ტევადობის გამო. თუმცა, ერთი მთავარი პრობლემა ის არის, რომ ელექტროლიტი ადვილად აორთქლდება, რაც იწვევს ბატარეის მოკლე ჩართვას და ეს შეიძლება იყოს ხანძრის საშიშროება. პრაქტიკაში, LIB-ები ნამდვილად არასტაბილური და არაეფექტურია, რადგან დროთა განმავლობაში ლითიუმის განლაგება ხდება არაერთგვაროვანი. LIB-ებს ასევე აქვთ დაბალი დატენვისა და განმუხტვის სიხშირე და უსაფრთხოების პრობლემები მათ არაეფექტურს ხდის მრავალი მაღალი სიმძლავრის და მაღალი სიმძლავრის მანქანებისთვის, მაგალითად ელექტრო და ჰიბრიდული ელექტრო მანქანებისთვის. ცნობილია, რომ LIB აჩვენებს კარგ ტევადობას და შეკავების მაჩვენებლებს ძალიან იშვიათ შემთხვევებში.
ამრიგად, ბატარეების სამყაროში ყველაფერი არ არის სრულყოფილი, რადგან ბოლო წლებში ბევრი ბატარეა იყო მონიშნული, როგორც სახიფათო, რადგან ისინი ცეცხლს იკიდებენ, არასანდო და ზოგჯერ არაეფექტურია. მეცნიერები მთელი მსოფლიოს მასშტაბით ცდილობენ შექმნან ბატარეები, რომლებიც იქნება პატარა, უსაფრთხოდ დატენვადი, მსუბუქი, უფრო ელასტიური და ამავდროულად უფრო ძლიერი. ამიტომ, ყურადღება გადატანილია მყარი მდგომარეობის ელექტროლიტებზე, როგორც პოტენციურ ალტერნატივაზე. ამის შენარჩუნება, როგორც მრავალი ვარიანტი, მეცნიერებმა სცადეს, მაგრამ სტაბილურობა და მასშტაბურობა კვლევების უმეტესობის დაბრკოლება იყო. პოლიმერულ ელექტროლიტებს აქვთ დიდი პოტენციალი, რადგან ისინი არა მხოლოდ სტაბილურია, არამედ მოქნილი და ასევე იაფია. სამწუხაროდ, ასეთი პოლიმერული ელექტროლიტების მთავარი პრობლემა არის მათი ცუდი გამტარობა და მექანიკური თვისებები.
ACS-ში გამოქვეყნებულ ბოლო კვლევაში ნანო წერილები, მკვლევარები აჩვენეს, რომ ბატარეის უსაფრთხოება და მრავალი სხვა თვისებაც კი შეიძლება გაუმჯობესდეს მასში ნანომავთულხლართების დამატებით, რაც ბატარეის უპირატესობას ანიჭებს. მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის კოლეჯის მკვლევართა ამ ჯგუფმა, ჩინეთის ჟეჯიანგის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტი, დააფუძნა მათ წინა კვლევებზე, სადაც დაამზადეს მაგნიუმის ბორატი ნანომავთულები, რომლებიც ავლენდნენ კარგ მექანიკურ თვისებებს და გამტარობას. მიმდინარე კვლევაში მათ შეამოწმეს, ასე იქნებოდა თუ არა ეს ბატარეებისთვისაც ნანომავთულები ემატება მყარი მდგომარეობის პოლიმერულ ელექტროლიტს. მყარი მდგომარეობის ელექტროლიტი შერეული იყო 5, 10, 15 და 20 წონიანი მაგნიუმის ბორატის ნანომავთულებთან. დაფიქსირდა, რომ ნანომავთულებმა გაზარდეს მყარი მდგომარეობის პოლიმერული ელექტროლიტის გამტარობა, რამაც ბატარეები უფრო გამძლე და ელასტიური გახადა, ვიდრე ადრე ნანომავთულის გარეშე. გამტარობის ეს ზრდა განპირობებული იყო იონების რაოდენობის ზრდით, რომლებიც გადიან და მოძრაობენ ელექტროლიტში და ბევრად უფრო სწრაფი სიჩქარით. მთელი დაყენება ბატარეას ჰგავდა, მაგრამ დამატებული ნანომავთულებით. ამან აჩვენა მუშაობის უფრო მაღალი მაჩვენებელი და გაზრდილი ციკლები ჩვეულებრივ ბატარეებთან შედარებით. ასევე ჩატარდა აალებადობის მნიშვნელოვანი ტესტი და ჩანდა, რომ ბატარეა არ დაიწვა. დღეს ფართოდ გამოყენებული პორტატული აპლიკაციები, როგორიცაა მობილური ტელეფონები და ლეპტოპები, უნდა განახლდეს მაქსიმალური და კომპაქტური შენახული ენერგიით. ეს აშკარად ზრდის ძალადობრივი გამონადენის რისკს და ის მართვადია ასეთი მოწყობილობებისთვის საჭირო ბატარეების მცირე ფორმატის გამო. მაგრამ რამდენადაც ბატარეების უფრო დიდი აპლიკაციები შექმნილია და გამოცდილია, უსაფრთხოება, გამძლეობა და სიმძლავრე უმაღლეს მნიშვნელობას იძენს.
***
{შეგიძლიათ წაიკითხოთ ორიგინალური კვლევითი ნაშრომი ციტირებულ წყარო(ებ)ის სიაში ქვემოთ მოცემულ DOI ბმულზე დაწკაპუნებით}
წყარო (ებ) ი
შენგ ო და სხვ. 2018. Mg2B2O5 ნანომავთულის ჩართული მრავალფუნქციური მყარი მდგომარეობის ელექტროლიტები მაღალი იონური გამტარობით, შესანიშნავი მექანიკური თვისებებით და ცეცხლგამძლეობით. ნანო წერილები. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
