Наношаровые батарейки

Батареи Nanoball представляют собой экспериментальный тип батареи, катод или анод которой изготовлены из наноразмерных шариков, которые могут состоять из различных материалов, таких как углерод и литий-железофосфат. Батареи, в которых используются нанотехнологии, более эффективны, чем обычные батареи, из-за значительно улучшенной площади поверхности, которая обеспечивает более высокие электрические характеристики, такие как быстрая зарядка и разрядка. ^{[ нужна ссылка ]}

В 2009 году исследователи из Массачусетского технологического института смогли зарядить простую литий-железо-фосфатную батарею с наношариками за 10 секунд, используя эту технологию. Теоретически это позволит быстро заряжать небольшие электронные устройства, в то время как более крупные батареи по-прежнему будут ограничены электросетью . ^[1]^[2]

Углеродные наношарики

Строительство

Прежде чем можно будет изготовить углеродные наношарики, необходимо сформировать углеродный стержень. Углеродный стержень изготавливается в присутствии ацетилена с коксовым порошком (вид источника топлива с небольшим количеством примесей и высоким содержанием углерода) и формируется методом дугового разряда. электрода высокой чистоты В технике дугового разряда используются два графитовых в качестве анода и катода, которые испаряются при прохождении постоянного тока (постоянного тока). ^[3]^{[ самостоятельно опубликованный источник? ]} После дугового разряда в течение определенного периода времени на катоде образуется углеродный стержень. Затем углеродный стержень помещают в реактор дугового разряда постоянного тока. Углеродный стержень действует как анод, а стержень из графита высокой чистоты действует как катод. Через два стержня пропускали ток силой 70-90 А в ацетиленовой среде под давлением 0,05-0,06 МПа (мегапаскалей). Углеродные наношарики образуются на углеродном стержне в процессе дугового испарения. Затем углеродные наношарики были исследованы с помощью FE-SEM ( сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией ) и STEM ( сканирующего трансмиссионного электронного микроскопа ), который был оснащен энергодисперсионным рентгеновским излучением, работающим при 200 кВ (киловольт), дифракционным рентгеновским излучением. и рамановская спектроскопия. Большая часть образовавшихся углеродных наношариков была спечена (твердая масса материала, образовавшаяся под действием тепла и/или давления). Также были обнаружены следовые количества наношариков, которые существовали по отдельности, а не группой, а также несколько наноматериалов, похожих на хлопок. ^[1]

Результаты

Испытания, проведенные Аньхойским технологическим университетом, показали, что углеродные наношарики внутри клеточного электрода обладают высокой обратимой емкостью и коэффициентом сохранения емкости почти 74%. Это означает, что батарея может разряжаться очень быстро и что при правильных условиях батарея имеет почти три четверти своей общей энергии. Испытания, проведенные Институтом материалов и технологий Даляньского морского университета, также показали, что углеродные наношарики можно использовать для дальнейшего увеличения энерговыделения других материалов, таких как кремний. ^[2] Изменение молекулярной структуры кремний-углеродных наношариков также может привести к увеличению емкости заряда и разряда, более длительной циклической стабильности (количество времени до необходимости замены батареи) и хорошей производительности. ^[4]

Наношарики литий-железо-фосфата

Создание наношариков литий-железо-фосфата

Как и углерод, литий также является хорошим проводником энергии. Он также уже используется в коммерческих литий-ионных батареях. Литий является хорошим проводником энергии, поскольку он позволяет ионам перемещаться быстрее, чем другие элементы, а также способен дольше удерживать эту энергию. Исследования показали, что покрытие частиц фосфата слоем LiFePO ₄ (фосфата лития-железа) обеспечивает еще более высокую скорость переноса ионов. Литий-железофосфат получали твердофазной реакцией с использованием Li ₂ CO ₃ (карбонат лития), FeC ₂ O ₄ (оксалат железа(II)) и NH ₄ H ₂ PO ₄ (дигидрофосфат аммония). Затем соединения помещали в ацетон и измельчали в шаровой мельнице (измельчение материалов в специальном цилиндрическом устройстве), затем нагревали при 350 °C в течение 10 часов, а затем давали остыть до комнатной температуры. Затем смесь гранулировали под давлением 10 000 фунтов. перед повторным нагреванием при 600 °C в течение 10 часов в атмосфере аргона. Каждый созданный наношар имел диаметр около 50 нм (нанометров). В обычных условиях электрохимические системы (например, батареи) могут достигать высоких показателей мощности только с помощью суперконденсаторов. Суперконденсаторы достигают высокой мощности за счет накопления энергии за счет реакций поверхностной адсорбции заряженных частиц на электроде. Однако это приводит к низкой плотности энергии. Вместо того, чтобы просто хранить заряд на поверхности материала, литий-железо-фосфат может достигать высокой мощности и высокой плотности энергии, сохраняя заряд в своем объеме (внутри углеродных наношариков). Это возможно, поскольку фосфат лития-железа обладает высокой объемной подвижностью лития. Создание поверхностной фазы, проводящей быстрые ионы, посредством контролируемой нестехиометрии (контроля молярного соотношения реагентов и продуктов в молекулярном уравнении) позволило добиться сверхбыстрой скорости разряда. ^[5]

Результаты

Испытания на скорость разряда проводились на электродах с 30% активного материала, 65% углерода и 5% связующего. Наношарики литий-железо-фосфата были собраны в перчаточном боксе, заполненном аргоном, и протестированы с использованием Maccor 2200 (тип системы тестирования аккумуляторов). Maccor 2000 был установлен в гальваностатический режим (измерение электрохимических характеристик) и использовал металлический литий в качестве анода и неводный электролит, а Celgard 2600 или 2500 в качестве сепаратора. ^[5] Конечная скорость разряда была достаточно быстрой, чтобы зарядить аккумулятор примерно за 10–20 секунд, что примерно в 100 раз быстрее, чем у обычного аккумулятора.

Коммерческое использование

Поскольку это экспериментальная процедура, проводимая в лабораторных условиях, еще не было коммерческих продуктов, реализующих этот тип технологии. Tesla Motors подумывала о внедрении нанобатарей в свои автомобили, но необходимое количество энергии и кабель, необходимый для передачи такого большого количества энергии, сделают это крайне неэффективным. На данный момент батареи с наношариками все еще находятся на экспериментальной стадии. Помимо использования в автомобилях и телефонах, наношаровые батареи также могут использоваться для оказания помощи в странах третьего мира и пострадавших от стихийных бедствий районах, поскольку их небольшой размер и высокая скорость разряда позволят быстро и эффективно распространять энергию. ^{[ нужна ссылка ]}

Будущее

Батареи Nanoball демонстрируют большой потенциал, но необходимо внести улучшения, прежде чем они станут жизнеспособным вариантом замены существующих батарей. Будущие исследования будут включать попытки интеграции наношариков в катод литиевого элемента или слияние наношариков с другими материалами, такими как кремний, в батареях. Исследования, проведенные в Школе материаловедения и инженерии Восточно-Китайского университета науки и технологий, показали, что покрытие кремниевых наношариков графеновым/углеродным покрытием предотвращает слишком быстрое разрушение кремниевых наношариков и улучшает общие электромеханические характеристики батареи. ^[6] Для коммерческого использования в автомобилях и других электромобилях батарея наношариков должна быть способна заряжать автомобиль, используя меньше энергии. Несмотря на то, что аккумулятор может разряжаться очень быстро, для его поступления в аккумулятор требуется слишком много энергии. Еще одна проблема, которую необходимо исправить, заключается в том, что, хотя батарея может разряжаться очень быстро, ей трудно удерживать такое количество энергии в течение длительного времени. Увеличение предела энергии, которую может удерживать батарея, сделает батарею намного более эффективной. Эта технология также может позволить использовать батареи меньшего размера, поскольку материал катода разлагается медленнее, чем в батареях, производимых в настоящее время. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Он, Сяоцзюнь; У, Фанхуэй; Чжэн, Миндун (2007). «Синтез углеродных наношариков и его электрохимические характеристики». Алмаз и родственные материалы . 16 (2): 311–5. Бибкод : 2007DRM....16..311H . дои : 10.1016/j.diamond.2006.06.011 .
^ Jump up to: ^а ^б Вэнь, Чжуншэн; Лу, Донг; Лей, Цзюньпэн; Фу, Инцин; Ван, Лян; Солнце, Джункай (2011). «Повышение производительности кремниевого анода с помощью углеродных наношариков, образующихся в результате дугового разряда». Журнал Электрохимического общества . 158 (7): А809–13. дои : 10.1149/1.3590733 .
^ Лидзима, С. «Дуговой разряд» . site.google.com/site/nanomodern . ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Ко, Ю На; Пак, Сын Бин; Кан, Юн Чан (2014). «Разработка и изготовление новых наноструктурированных композитных микросфер SnO2-углерод для быстрого и стабильного хранения лития». Маленький . 10 (16): 3240–5. дои : 10.1002/smll.201400613 . ПМИД 24840117 .
^ Jump up to: ^а ^б Кан, Бёну; Седер, Гербранд (2009). «Аккумуляторные материалы для сверхбыстрой зарядки и разрядки». Природа . 458 (7235): 190–3. Бибкод : 2009Natur.458..190K . дои : 10.1038/nature07853 . ПМИД 19279634 . S2CID 20592628 .
^ Чжоу, Мин; Цай, Тингвэй; Пу, Фан; Чен, Хао; Ван, Чжао; Чжан, Хайюн; Гуань, Шию (2013). «Гибриды наночастиц графена и кремния с углеродным покрытием как высокоэффективные анодные материалы для литий-ионных батарей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 5 (8): 3449–55. дои : 10.1021/am400521n . ПМИД 23527898 .

[He,_Wu_&_Zheng_2007-1] Jump up to: ^а ^б Он, Сяоцзюнь; У, Фанхуэй; Чжэн, Миндун (2007). «Синтез углеродных наношариков и его электрохимические характеристики». Алмаз и родственные материалы . 16 (2): 311–5. Бибкод : 2007DRM....16..311H . дои : 10.1016/j.diamond.2006.06.011 .

[Wen_et_al_2011-2] Jump up to: ^а ^б Вэнь, Чжуншэн; Лу, Донг; Лей, Цзюньпэн; Фу, Инцин; Ван, Лян; Солнце, Джункай (2011). «Повышение производительности кремниевого анода с помощью углеродных наношариков, образующихся в результате дугового разряда». Журнал Электрохимического общества . 158 (7): А809–13. дои : 10.1149/1.3590733 .

[3] Лидзима, С. «Дуговой разряд» . site.google.com/site/nanomodern . ^{[ мертвая ссылка ]}

[4] Ко, Ю На; Пак, Сын Бин; Кан, Юн Чан (2014). «Разработка и изготовление новых наноструктурированных композитных микросфер SnO2-углерод для быстрого и стабильного хранения лития». Маленький . 10 (16): 3240–5. дои : 10.1002/smll.201400613 . ПМИД 24840117 .

[Kang_&_Ceder_2009-5] Jump up to: ^а ^б Кан, Бёну; Седер, Гербранд (2009). «Аккумуляторные материалы для сверхбыстрой зарядки и разрядки». Природа . 458 (7235): 190–3. Бибкод : 2009Natur.458..190K . дои : 10.1038/nature07853 . ПМИД 19279634 . S2CID 20592628 .

[6] Чжоу, Мин; Цай, Тингвэй; Пу, Фан; Чен, Хао; Ван, Чжао; Чжан, Хайюн; Гуань, Шию (2013). «Гибриды наночастиц графена и кремния с углеродным покрытием как высокоэффективные анодные материалы для литий-ионных батарей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 5 (8): 3449–55. дои : 10.1021/am400521n . ПМИД 23527898 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]