Studie har upptäckt ett sätt att göra batterier som vi använder varje dag för att vara mer motståndskraftiga, kraftfulla och säkra.
Året är 2018 och vår vardag drivs nu av olika prylar som antingen körs på el eller på batterier. Vårt beroende av batteridrivna prylar och enheter växer fenomenalt. A batteri är en enhet som lagrar kemisk energi som omvandlas till elektricitet. Batterier är som små kemiska reaktorer som har en reaktion som producerar elektroner fulla av energi som flödar genom den externa enheten. Oavsett om dess mobiltelefoner eller bärbara datorer eller andra till och med elektriska fordon är batterier – vanligtvis litiumjon – den huvudsakliga strömkällan för dessa tekniker. I takt med att tekniken går framåt, finns det en kontinuerlig efterfrågan på mer kompakta, högkapacitets- och säkra uppladdningsbara batterier.
Batterier har en lång och härlig historia. Den amerikanske forskaren Benjamin Franklin använde termen "batteri" för första gången 1749 när han utförde experiment med elektricitet med hjälp av en uppsättning länkade kondensatorer. Den italienske fysikern Alessandro Volta uppfann det första batteriet år 1800 när skivor av koppar (Cu) och zink (Zn) sönderdelade med en trasa indränkt i saltvatten. Blysyrabatteriet, ett av de mest hållbara och äldsta uppladdningsbara batterierna uppfanns 1859 och används fortfarande i många enheter även idag, inklusive förbränningsmotorer i fordon.
Batterier har kommit långt och idag finns de i en mängd storlekar från stora megawattstorlekar, så i teorin kan de lagra ström från solgårdar och lysa upp ministäder eller så kan de vara lika små som de som används i elektroniska klockor , fantastiskt är det inte. I ett vad som kallas ett primärbatteri är reaktionen som producerar flödet av elektroner irreversibel och så småningom när en av dess reaktanter förbrukas blir batteriet tomt eller dör. Det vanligaste primärbatteriet är zink-kolbatteriet. Dessa primära batterier var ett stort problem och det enda sättet att ta itu med bortskaffandet av sådana batterier var att hitta en metod där de kunde återanvändas – det vill säga genom att göra dem uppladdningsbara. Att byta batterier mot nya var uppenbarligen opraktiskt och därmed blev batterierna fler den mäktigaste och stort blev det näst intill omöjligt för att inte nämna ganska dyrt att byta ut dem och göra sig av med dem.
Nickel-kadmiumbatteri (NiCd) var de första populära uppladdningsbara batterierna som använde alkali som elektrolyt. 1989 utvecklades nickel-metallvätebatterier (NiMH) med längre livslängd än NiCd-batterier. De hade dock vissa nackdelar, främst att de var mycket känsliga för överladdning och överhettning, speciellt när de laddades, säg till sin maxpris. Därför var de tvungna att laddas långsamt och försiktigt för att undvika skador och det krävdes längre tid för att laddas med enklare laddare.
Uppfanns 1980, litiumjonbatterier (LIB) är de vanligaste batterierna i konsumentledet elektronisk enheter idag. Litium är ett av de lättaste grundämnena och det har en av de största elektrokemiska potentialerna, därför är denna kombination idealisk för att tillverka batterier. I LIB:er rör sig litiumjoner mellan olika elektroder genom en elektrolyt som är gjord av salt och ekologisk lösningsmedel (i de flesta traditionella LIB). Teoretiskt sett är litiummetall den mest elektriskt positiva metallen med mycket hög kapacitet och är det bästa möjliga valet för batterier. När LIB:er håller på att laddas för lite, blir den positivt laddade litiumjonen litiummetall. LIB:er är alltså de mest populära uppladdningsbara batterierna för användning i alla typer av bärbara enheter på grund av deras långa livslängd och höga kapacitet. Ett stort problem är dock att elektrolyten lätt kan avdunsta, vilket orsakar en kortslutning i batteriet och detta kan utgöra en brandrisk. I praktiken är LIB:er verkligen instabila och ineffektiva eftersom litiumdispositionerna med tiden blir olikformiga. LIB:er har också låga laddnings- och urladdningshastigheter och säkerhetsproblem gör dem olämpliga för många maskiner med hög effekt och hög kapacitet, till exempel elektriska och hybridelektriska fordon. LIB har rapporterats uppvisa god kapacitet och retentionsgrad vid mycket sällsynta tillfällen.
Allt är alltså inte perfekt i batterivärlden eftersom många batterier under de senaste åren har markerats som osäkra eftersom de brinner, är opålitliga och ibland ineffektiva. Forskare världen över strävar efter att bygga batterier som ska vara små, säkert uppladdningsbara, lättare, mer motståndskraftiga och samtidigt kraftfullare. Därför har fokus flyttats till fasta elektrolyter som det potentiella alternativet. Att behålla detta som målet har många alternativ prövats av forskare, men stabilitet och skalbarhet har varit ett hinder för de flesta av studierna. Polymerelektrolyter har visat stor potential eftersom de inte bara är stabila utan också flexibla och även billiga. Tyvärr är huvudproblemet med sådana polymerelektrolyter deras dåliga ledningsförmåga och mekaniska egenskaper.
I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Nano bokstäver, forskare har visat att ett batteris säkerhet och även många andra egenskaper kan förbättras genom att lägga till nanotrådar till det, vilket gör batteriet överlägset. Detta team av forskare från College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Kina har byggt på sin tidigare forskning där de tillverkade magnesiumborat nanotrådar som uppvisade goda mekaniska egenskaper och konduktivitet. I den aktuella studien kontrollerade de om detta även skulle vara sant för batterier när sådana nanotrådar tillsätts till en polymerelektrolyt i fast tillstånd. Fast-state elektrolyt blandades med 5, 10, 15 och 20 vikter av magnesiumborat nanotrådar. Man såg att nanotrådarna ökade konduktiviteten hos solid-state polymer elektrolyten vilket gjorde batterierna mer robusta och motståndskraftiga jämfört med tidigare utan nanotrådar. Denna ökning av konduktiviteten berodde på ökningen av antalet joner som passerade och rörde sig genom elektrolyten och i mycket snabbare takt. Hela uppsättningen var som ett batteri men med extra nanotrådar. Detta visade en högre prestanda och ökade cykler jämfört med vanliga batterier. Ett viktigt test av antändlighet gjordes också och man såg att batteriet inte brann. Dagens mycket använda bärbara applikationer som mobiltelefoner och bärbara datorer måste uppgraderas med maximal och mest kompakt lagrad energi. Detta ökar uppenbarligen risken för våldsam urladdning och det är hanterbart för sådana enheter på grund av det lilla formatet på batterier som behövs. Men eftersom större applikationer av batterier designas och prövas, är säkerhet, hållbarhet och kraft av största vikt.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire-aktiverade multifunktionella fasta elektrolyter med hög jonledningsförmåga, utmärkta mekaniska egenskaper och flamskyddande prestanda. Nanobokstäver. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
