استفاده از نانوسیم ها برای تولید باتری های ایمن تر و قدرتمندتر

مطالعه راهی برای ساخت باتری هایی که ما هر روز از آن ها استفاده می کنیم تا انعطاف پذیرتر، قدرتمندتر و ایمن تر باشند، کشف کرده است.

سال 2018 است و زندگی روزمره ما اکنون توسط ابزارهای مختلف تغذیه می شود که یا با آن کار می کنند برق یا روی باتری ها اتکای ما به ابزارها و دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند به طرز خارق‌العاده‌ای در حال افزایش است. آ باتری وسیله ای است که انرژی شیمیایی را ذخیره می کند که به الکتریسیته تبدیل می شود. باتری‌ها مانند راکتورهای شیمیایی کوچکی هستند که الکترون‌های مملو از انرژی تولید می‌کنند که از طریق دستگاه خارجی جریان می‌یابد. چه تلفن‌های همراه یا لپ‌تاپ یا سایر وسایل نقلیه حتی الکتریکی، باتری‌ها - عموماً لیتیوم یون - منبع اصلی انرژی برای این فناوری‌ها هستند. همانطور که تکنولوژی در حال پیشرفت است، تقاضای مداوم برای باتری های قابل شارژ فشرده تر، ظرفیت بالا و ایمن وجود دارد.

باتری ها تاریخچه طولانی و باشکوهی دارند. بنجامین فرانکلین، دانشمند آمریکایی، اولین بار در سال 1749 در حین انجام آزمایشات با الکتریسیته با استفاده از مجموعه‌ای از خازن‌های متصل، از اصطلاح باتری استفاده کرد. فیزیکدان ایتالیایی، الساندرو ولتا، اولین باتری را در سال 1800 اختراع کرد که دیسک‌های مس (Cu) و روی (Zn) با پارچه خیس شده در آب شور جدا شدند. باتری سرب اسید، یکی از بادوام ترین و قدیمی ترین باتری های قابل شارژ در سال 1859 اختراع شد و هنوز در بسیاری از دستگاه ها حتی امروزه از جمله موتور احتراق داخلی در وسایل نقلیه استفاده می شود.

باتری‌ها راه طولانی را طی کرده‌اند و امروزه در طیف وسیعی از اندازه‌ها از اندازه‌های مگاواتی بزرگ تولید می‌شوند، بنابراین در تئوری می‌توانند انرژی را از مزارع خورشیدی ذخیره کنند و شهرهای کوچک را روشن کنند یا می‌توانند به کوچکی باتری‌های مورد استفاده در ساعت‌های الکترونیکی باشند. شگفت انگیز است نه در چیزی که باتری اولیه نامیده می شود، واکنشی که جریان الکترون را تولید می کند، برگشت ناپذیر است و در نهایت وقتی یکی از واکنش دهنده های آن مصرف می شود، باتری تخت می شود یا می میرد. رایج ترین باتری اولیه باتری روی کربن است. این باتری‌های اولیه یک مشکل بزرگ بودند و تنها راه برای مقابله با دور انداختن چنین باتری‌هایی، یافتن روشی بود که در آن بتوان از آن‌ها استفاده مجدد کرد – یعنی قابل شارژ کردن آنها. بدیهی است که تعویض باتری ها با باتری جدید غیرعملی بود و بنابراین با افزایش تعداد باتری ها قوی و بزرگ، غیرممکن شد که به جای آنها و از بین بردن آنها بسیار گران قیمت اشاره کنیم.

باتری نیکل کادمیوم (NiCd) اولین باتری قابل شارژ محبوب بود که از یک قلیایی به عنوان الکترولیت استفاده می کرد. در سال 1989 باتری‌های هیدروژنی نیکل فلزی (NiMH) با عمر طولانی‌تر از باتری‌های NiCd ساخته شدند. با این حال، آنها دارای معایبی بودند، به ویژه این که آنها به شارژ بیش از حد و گرم شدن بیش از حد حساس بودند، به خصوص زمانی که آنها به عنوان حداکثر نرخ خود شارژ می شدند. بنابراین، آنها باید به آرامی و با دقت شارژ می شدند تا از هر گونه آسیبی جلوگیری شود و زمان بیشتری برای شارژ شدن توسط شارژرهای ساده تر لازم بود.

باتری های لیتیوم یونی (LIBs) که در سال 1980 اختراع شد، متداول ترین باتری های مورد استفاده در مصرف کنندگان هستند. الکترونیکی دستگاه های امروزی لیتیوم یکی از سبک ترین عناصر است و یکی از بزرگترین پتانسیل های الکتروشیمیایی را دارد، بنابراین این ترکیب برای ساخت باتری بسیار مناسب است. در LIB ها، یون های لیتیوم بین الکترودهای مختلف از طریق یک الکترولیت که از نمک ساخته شده است حرکت می کنند سازمانی حلال ها (در اکثر LIB های سنتی). از نظر تئوری، فلز لیتیوم مثبت ترین فلز الکتریکی با ظرفیت بسیار بالا است و بهترین انتخاب ممکن برای باتری ها است. هنگامی که LIB ها شارژ مجدد ندارند، یون لیتیوم با بار مثبت به فلز لیتیوم تبدیل می شود. بنابراین، LIB ها به دلیل عمر طولانی و ظرفیت بالا، محبوب ترین باتری های قابل شارژ برای استفاده در انواع دستگاه های قابل حمل هستند. با این حال، یک مشکل عمده این است که الکترولیت می تواند به راحتی تبخیر شود و باعث ایجاد اتصال کوتاه در باتری می شود و این می تواند خطر آتش سوزی باشد. در عمل، LIBها واقعاً ناپایدار و ناکارآمد هستند زیرا با گذشت زمان مواد لیتیوم غیریکنواخت می شوند. LIBها همچنین دارای نرخ شارژ و دشارژ پایین هستند و نگرانی های ایمنی آنها را برای بسیاری از ماشین های پرقدرت و ظرفیت بالا، به عنوان مثال خودروهای الکتریکی و هیبریدی، غیرقابل تحمل می کند. گزارش شده است که LIB در موارد بسیار نادر ظرفیت و نرخ نگهداری خوبی را نشان می دهد.

بنابراین، همه چیز در دنیای باتری ها کامل نیست زیرا در سال های اخیر بسیاری از باتری ها به دلیل آتش گرفتن، غیرقابل اعتماد بودن و گاهی اوقات ناکارآمد به عنوان ناامن علامت گذاری شده اند. دانشمندان در سرتاسر جهان در جستجوی ساخت باتری هایی هستند که کوچک، قابل شارژ مجدد، سبک تر، انعطاف پذیرتر و در عین حال قدرتمندتر باشند. بنابراین، تمرکز بر روی الکترولیت های حالت جامد به عنوان جایگزین بالقوه معطوف شده است. حفظ این به عنوان بسیاری از گزینه‌ها توسط دانشمندان امتحان شده است، اما پایداری و مقیاس‌پذیری مانع بسیاری از مطالعات بوده است. الکترولیت های پلیمری پتانسیل زیادی از خود نشان داده اند زیرا نه تنها پایدار هستند بلکه انعطاف پذیر و ارزان هستند. متاسفانه مشکل اصلی چنین الکترولیت های پلیمری رسانایی ضعیف و خواص مکانیکی آنها است.

در مطالعه اخیر منتشر شده در ACS نامه های نانو, محققان نشان داده اند که ایمنی باتری و حتی بسیاری از خواص دیگر را می توان با افزودن نانوسیم به آن افزایش داد و باتری را برتر ساخت. این تیم از محققان کالج علوم و مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی ژجیانگ، چین بر اساس تحقیقات قبلی خود نانوسیم‌های بورات منیزیم ساخته‌اند که خواص مکانیکی و رسانایی خوبی از خود نشان می‌دهند. در مطالعه فعلی آنها بررسی کردند که آیا این موضوع برای باتری ها نیز صادق است یا خیر نانوسیم ها به یک الکترولیت پلیمری حالت جامد اضافه می شوند. الکترولیت حالت جامد با نانوسیم‌های بورات منیزیم به وزن 5، 10، 15 و 20 مخلوط شد. مشاهده شد که نانوسیم‌ها رسانایی الکترولیت پلیمری حالت جامد را افزایش می‌دهند که باعث می‌شود باتری‌ها در مقایسه با قبل بدون نانوسیم، محکم‌تر و انعطاف‌پذیرتر شوند. این افزایش رسانایی به دلیل افزایش تعداد یون هایی بود که از الکترولیت عبور می کنند و با سرعت بسیار بیشتری حرکت می کنند. کل نصب مانند یک باتری بود اما با نانوسیم اضافه شده بود. این نرخ عملکرد بالاتر و افزایش چرخه را در مقایسه با باتری های معمولی نشان داد. تست مهم اشتعال پذیری نیز انجام شد و مشاهده شد که باتری نسوخته است. برنامه های کاربردی قابل حمل امروزی مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها باید با حداکثر و فشرده ترین انرژی ذخیره شده به روز شوند. این بدیهی است که خطر تخلیه خشونت آمیز را افزایش می دهد و به دلیل فرمت کوچک باتری های مورد نیاز برای چنین دستگاه هایی قابل کنترل است. اما از آنجایی که کاربردهای بزرگتر باتری ها طراحی و آزمایش می شوند، ایمنی، دوام و قدرت از اهمیت بالایی برخوردار است.

***

{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}

منبع (ها)

شنگ او و همکاران 2018. الکترولیت های حالت جامد چند منظوره با قابلیت نانوسیم Mg2B2O5 با رسانایی یونی بالا، خواص مکانیکی عالی و عملکرد بازدارنده شعله. نامه های نانو https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659