Rannsókn hefur uppgötvað leið til að gera rafhlöður sem við notum á hverjum degi til að vera seigurri, öflugri og öruggari.
Árið er 2018 og hversdagslíf okkar er nú knúið áfram af mismunandi græjum sem annað hvort keyra á rafmagn eða á rafhlöðum. Traust okkar á rafhlöðuknúnum græjum og tækjum eykst stórkostlega. A rafhlaða er tæki sem geymir efnaorku sem breytist í rafmagn. Rafhlöður eru eins og lítill efnakljúfur sem hefur hvarf sem framleiða rafeindir fullar af orku sem streyma í gegnum ytra tækið. Hvort sem það er farsímar eða fartölvur eða önnur jafnvel rafknúin farartæki, rafhlöður - yfirleitt litíumjón - eru aðalaflgjafinn fyrir þessa tækni. Eftir því sem tæknin heldur áfram að þróast er stöðug eftirspurn eftir fyrirferðarmeiri, afkastamikilli og öruggari endurhlaðanlegum rafhlöðum.
Rafhlöður eiga sér langa og glæsilega sögu. Bandaríski vísindamaðurinn Benjamin Franklin notaði hugtakið „rafhlaða“ fyrst árið 1749 þegar hann gerði tilraunir með rafmagn með því að nota sett af tengdum þéttum. Ítalski eðlisfræðingurinn Alessandro Volta fann upp fyrstu rafhlöðuna árið 1800 þegar diskar úr kopar (Cu) og sinki (Zn) voru aðskildir með klút vættum í saltvatni. Blýsýrurafhlaðan, ein endingargóðasta og elsta endurhlaðanlega rafhlaðan var fundin upp árið 1859 og er enn notuð í mörgum tækjum enn í dag, þar á meðal brunavél í farartækjum.
Rafhlöður hafa náð langt og í dag koma þær í ýmsum stærðum frá stórum Megawatt stærðum, þannig að fræðilega séð geta þær geymt orku frá sólarbúum og lýst upp smáborgir eða þær gætu verið eins litlar og þær sem notaðar eru í rafrænum úrum , dásamlegt er það ekki. Í því sem kallast frumrafhlaða er hvarf sem framleiðir rafeindaflæði óafturkræft og að lokum þegar eitt hvarfefna hennar er neytt verður rafhlaðan tóm eða deyr. Algengasta aðal rafhlaðan er sink-kolefni rafhlaðan. Þessar aðalrafhlöður voru mikið vandamál og eina leiðin til að takast á við förgun slíkra rafhlaðna var að finna aðferð þar sem hægt væri að endurnýta þær - sem þýðir með því að gera þær endurhlaðanlegar. Það var augljóslega óframkvæmanlegt að skipta um rafhlöður fyrir nýjan og þar með eftir því sem rafhlöðurnar urðu fleiri öflugur og stórt varð næsta ómögulegt svo ekki sé minnst á ansi dýrt að skipta þeim út og farga þeim.
Nikkel-kadmíum rafhlaðan (NiCd) var fyrstu vinsælu endurhlaðanlegu rafhlöðurnar sem notuðu basa sem raflausn. Árið 1989 voru þróaðar nikkel-málm vetnisrafhlöður (NiMH) með lengri endingu en NiCd rafhlöður. Hins vegar höfðu þeir nokkra galla, aðallega að þeir voru mjög viðkvæmir fyrir ofhleðslu og ofhitnun sérstaklega þegar þeir voru hlaðnir segja til um hámarksgjald. Því þurfti að hlaða þau hægt og varlega til að forðast skemmdir og þurfti lengri tíma til að hlaða þau með einfaldari hleðslutæki.
Lithium-ion rafhlöður (LIB) voru fundnar upp árið 1980 og eru þær rafhlöður sem oftast eru notaðar fyrir neytendur. rafræn tæki í dag. Litíum er eitt léttasta frumefnið og það hefur einn stærsta rafefnafræðilega möguleikann, þess vegna hentar þessi samsetning ákjósanlega til að búa til rafhlöður. Í LIB flytjast litíumjónir á milli mismunandi rafskauta í gegnum raflausn sem er gerður úr salti og lífræn leysiefni (í flestum hefðbundnum LIB). Fræðilega séð er litíum málmur raf jákvæðasti málmur með mjög mikla afkastagetu og er besti mögulegi kosturinn fyrir rafhlöður. Þegar LIB-hleðslur ganga lítið fyrir endurhleðslu verður jákvætt hlaðin litíumjón að litíummálmi. Þannig eru LIB-rafhlöður vinsælustu endurhlaðanlegar rafhlöður til notkunar í alls kyns flytjanlegum tækjum vegna langrar endingartíma og mikillar afkastagetu. Hins vegar er eitt stórt vandamál að raflausnin getur gufað upp auðveldlega, sem veldur skammhlaupi í rafhlöðunni og það getur verið eldhætta. Í reynd eru LIBs virkilega óstöðug og óhagkvæm þar sem litíumskipanin verður með tímanum ójöfn. LIBs hafa einnig lágt hleðslu- og afhleðsluhraða og öryggisáhyggjur gera þær ólífvænlegar fyrir margar aflmikla og mikla afkastagetu vélar, til dæmis rafknúin og tvinn rafbíla. Tilkynnt hefur verið um að LIB sýni góða getu og varðveisluhlutfall í mjög sjaldgæfum tilvikum.
Þannig er ekki allt fullkomið í rafhlöðuheiminum þar sem á undanförnum árum hefur mikið af rafhlöðum verið merkt sem óörugg vegna þess að þær kvikna, eru óáreiðanlegar og stundum óhagkvæmar. Vísindamenn um allan heim leitast við að byggja rafhlöður sem verða litlar, endurhlaðanlegar á öruggan hátt, léttari, seigurri og á sama tíma öflugri. Þess vegna hefur áherslan færst yfir á raflausn í föstu formi sem hugsanlegan valkost. Að halda þessu sem markmiðinu hafa margir möguleikar verið prófaðir af vísindamönnum, en stöðugleiki og sveigjanleiki hefur verið hindrun í flestum rannsóknum. Fjölliða raflausnir hafa sýnt mikla möguleika vegna þess að þeir eru ekki aðeins stöðugir heldur einnig sveigjanlegir og einnig ódýrir. Því miður er aðalatriðið við slíka fjölliða raflausn léleg leiðni þeirra og vélrænni eiginleikar.
Í nýlegri rannsókn sem birt var í ACS Nanóstafir, vísindamenn hafa sýnt að hægt er að auka öryggi rafhlöðu og jafnvel marga aðra eiginleika með því að bæta nanóvírum við hana, sem gerir rafhlöðuna betri. Þetta teymi vísindamanna frá College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Kína hefur byggt á fyrri rannsóknum sínum þar sem þeir bjuggu til magnesíumborat nanóvíra sem sýndu góða vélræna eiginleika og leiðni. Í núverandi rannsókn könnuðu þeir hvort þetta ætti einnig við um rafhlöður þegar slíkt er nanóvíra er bætt við fjölliða raflausn í föstu formi. Raflausn í föstu formi var blandað saman við 5, 10, 15 og 20 þyngd af magnesíumborat nanóvírum. Það sást að nanóvírarnir juku leiðni fjölliða raflausnarinnar í föstu formi sem gerði rafhlöðurnar traustari og seigurri samanborið við áður án nanóvíra. Þessi aukning á leiðni stafaði af auknum fjölda jóna sem fóru og hreyfðust í gegnum raflausnina og á mun hraðari hraða. Allt uppsetningin var eins og rafhlaða en með bættum nanóvírum. Þetta sýndi hærra afköst og aukna hringrás miðað við venjulegar rafhlöður. Einnig var gerð mikilvæg eldfimipróf og sást að rafhlaðan brann ekki. Mikið notuðu flytjanlegu forritin í dag eins og farsímar og fartölvur þarf að uppfæra með hámarks og fyrirferðarmestri geymdri orku. Þetta eykur augljóslega hættuna á ofbeldisfullri útskrift og það er viðráðanlegt fyrir slík tæki vegna þess að rafhlöður eru litlar sem þarf. En þar sem stærri notkun rafhlöðu er hönnuð og reynd, skiptir öryggi, ending og kraftur mestu máli.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
Sheng O o.fl. 2018. Mg2B2O5 nanóvíravirkir fjölvirkir solid-state raflausnir með mikilli jónaleiðni, framúrskarandi vélrænni eiginleika og logavarnarefni. Nanóstafir. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
