Изилдөө биз күн сайын колдонгон батареяларды ийкемдүү, күчтүү жана коопсуз кылуунун жолун тапты.
2018-жыл жана биздин күнүмдүк жашообуз азыр электр энергиясы менен же батарея менен иштеген ар кандай гаджеттер менен камсыз болууда. Батарея менен иштеген гаджеттер менен түзмөктөргө болгон көз карандылыгыбыз укмуштуудай өсүп жатат. Батарея - бул химиялык энергияны сактаган жана ал электр энергиясына айландырылган түзүлүш. Батареялар тышкы түзмөк аркылуу агып өтүүчү энергияга толгон электрондорду өндүргөн реакцияга ээ болгон мини-химиялык реакторлорго окшош. Уюлдук телефондорбу, ноутбуктарбы же башка электр унааларыбы, батареялар - көбүнчө литий-ион - бул технологиялар үчүн негизги энергия булагы болуп саналат. Технология өнүгүп жаткан сайын, компакттуу, жогорку кубаттуулуктагы жана коопсуз кайра заряддалуучу батареяларга суроо-талап тынымсыз өсүүдө.
Батареялардын узак жана даңктуу тарыхы бар. Америкалык илимпоз Бенджамин Франклин биринчи жолу 1749-жылы электр энергиясы менен байланышкан конденсаторлордун топтомун колдонуу менен эксперименттерди жүргүзүп жатканда "батарея" терминин колдонгон. Италиялык физик Алессандро Вольта 1800-жылы жез (Cu) жана цинк (Zn) дисктерин туздуу сууга чыланган чүпүрөк менен бөлүп койгондо, биринчи батареяны ойлоп тапкан. Коргошун-кислота аккумулятору, эң чыдамкай жана эң эски кайра заряддоого боло турган батарейкалардын бири 1859-жылы ойлоп табылган жана азыркыга чейин көптөгөн түзмөктөрдө, анын ичинде ички күйүүчү кыймылдаткычта да колдонулат.
Батареялар узак жолду басып өттү жана бүгүнкү күндө алар чоң мегаватттан баштап ар кандай өлчөмдөрдө чыгарылат, ошондуктан теория жүзүндө алар күн энергиясын сактай алышат жана чакан шаарларды жарыктандыра алышат же электрондук сааттарда колдонулгандай кичинекей болушу мүмкүн, бул керемет эмеспи. Негизги батарея деп аталган нерседе электрондордун агымын пайда кылган реакция кайтарылгыс жана акыры анын реагенттеринин бири түгөнгөндө батарея иштебей калат же өчөт. Эң кеңири таралган баштапкы батарея - цинк-көмүртек батареясы. Бул баштапкы батареялар чоң көйгөй болгон жана мындай батареяларды жок кылуунун бирден-бир жолу аларды кайра колдонууга боло турган ыкманы табуу болгон, башкача айтканда, аларды кайра заряддоого болот. Батареяларды жаңысына алмаштыруу, албетте, практикалык эмес болчу жана ошондуктан батареялар күчтүүрөөк жана чоңойгон сайын, аларды алмаштыруу жана жок кылуу өтө кымбатка турганын айтпаганда да, дээрлик мүмкүн эмес болуп калды.
Никель-кадмий батареясы (NiCd) электролит катары щелочту колдонгон биринчи популярдуу кайра заряддалуучу батареялар болгон. 1989-жылы никель-металл суутек батарейкалары (NiMH) NiCd батареяларына караганда узак мөөнөткө ээ болгон. Бирок, алардын кээ бир кемчиликтери бар болчу, негизинен алар ашыкча кубаттоого жана ысып кетүүгө өтө сезгич болушкан, өзгөчө, алар максималдуу ченге чейин заряддалганда. Ошондуктан, аларды жай жана кылдаттык менен заряддоо керек болчу жана эч кандай зыян болбошу үчүн жана жөнөкөй заряддагычтар менен кубаттоо үчүн көбүрөөк убакыт талап кылынган.
1980-жылы ойлоп табылган литий-иондук батареялар (ЛИБ) бүгүнкү күндө керектөөчү электрондук түзмөктөрдө эң көп колдонулган батареялар болуп саналат . Литий эң жеңил элементтердин бири жана эң чоң электрохимиялык потенциалдардын бирине ээ, ошондуктан бул айкалыш батареяларды жасоо үчүн идеалдуу. ЛИБларда литий иондору ар кандай электроддордун ортосунда туз жана органикалык эриткичтерден жасалган электролит аркылуу жылат (көпчүлүк салттуу ЛИБларда). Теориялык жактан алганда, литий металлы эң электрдик жактан оң металл болуп саналат, ал абдан жогорку кубаттуулукка ээ жана батареялар үчүн эң жакшы тандоо болуп саналат. ЛИБлар кайра заряддалбай калганда, оң заряддалган литий иону литий металлына айланат. Ошентип, ЛИБлар узак мөөнөттүү жана жогорку кубаттуулугунан улам бардык түрдөгү көчмө түзмөктөрдө колдонуу үчүн эң популярдуу кайра заряддалуучу батареялар болуп саналат. Бирок, бир чоң көйгөй - электролит оңой бууланып кетиши мүмкүн, бул батареяда кыска туташууну пайда кылат жана бул өрт коркунучун жаратышы мүмкүн. Иш жүзүндө, LIBлер чындыгында туруксуз жана натыйжасыз, анткени убакыттын өтүшү менен литийдин бөлүштүрүлүшү бирдей эмес болуп калат. LIBлердин заряддоо жана разряддоо ылдамдыгы төмөн жана коопсуздук маселелери аларды көптөгөн жогорку кубаттуулуктагы жана жогорку кубаттуулуктагы машиналар, мисалы, электр жана гибриддик электр унаалары үчүн жараксыз кылат. LIBлер өтө сейрек учурларда жакшы кубаттуулукту жана сактоо көрсөткүчтөрүн көрсөтөөрү кабарланган.
Ошентип, батарейкалар дүйнөсүндө баары идеалдуу эмес, анткени акыркы жылдары көптөгөн батарейкалар кооптуу деп белгиленген, анткени алар күйүп кетет, ишенимсиз жана кээде эффективдүү эмес. Дүйнө жүзү боюнча илимпоздор кичинекей, коопсуз кайра заряддоого боло турган, жеңилирээк, ийкемдүү жана ошол эле учурда күчтүүрөөк батареяларды курууга умтулушат. Ошондуктан, басым потенциалдуу альтернатива катары катуу абалдагы электролиттерге бурулду. Муну максат катары сактоо көптөгөн варианттар окумуштуулар тарабынан аракет кылынган, бирок туруктуулук жана масштабдуулук изилдөөлөрдүн көпчүлүгүнө тоскоолдук болуп келген. Полимердик электролиттер негизги потенциалды көрсөттү, анткени алар туруктуу гана эмес, ийкемдүү жана ошондой эле арзан. Тилекке каршы, мындай полимердик электролиттер менен негизги маселе алардын начар өткөрүмдүүлүк жана механикалык касиеттери болуп саналат.
Жакында ACS Nano Letters журналында жарыяланган изилдөөдө изилдөөчүлөр батареяга нанозымдарды кошуу менен анын коопсуздугун жана башка көптөгөн касиеттерин жакшыртууга болорун көрсөтүштү, бул батареяны мыкты кылат. Кытайдын Чжэцзян технологиялык университетинин Материал таануу жана инженерия колледжинин бул изилдөөчүлөр тобу жакшы механикалык касиеттерди жана өткөрүмдүүлүктү көрсөткөн магний бораты нанозымдарын жасаган мурунку изилдөөлөрүнө таянышты. Учурдагы изилдөөдө алар мындай нанозымдар катуу абалдагы полимер электролитине кошулганда батареялар үчүн да ушундай болобу же жокпу текшеришти. Катуу абалдагы электролит 5, 10, 15 жана 20 салмактагы магний бораты нанозымдары менен аралаштырылган. Нанозымдар катуу абалдагы полимер электролитинин өткөрүмдүүлүгүн жогорулаткандыгы, бул батареяларды мурда нанозымдарсыз караганда бекемирээк жана ийкемдүү кылгандыгы байкалган. Өткөрүмдүүлүктүн мындай жогорулашы электролит аркылуу өтүп жана кыймылдаган иондордун санынын көбөйүшүнө жана алда канча тез ылдамдыкта болушуна байланыштуу болгон. Бүткүл түзүлүш батарея сыяктуу болгон, бирок нанозымдар кошулган. Бул кадимки батареяларга салыштырмалуу жогорку иштөө ылдамдыгын жана циклдердин көбөйүшүн көрсөттү. Ошондой эле күйүүчүлүктүн маанилүү сыноосу жүргүзүлүп, батарея күйбөгөнү аныкталган. Бүгүнкү күндө уюлдук телефондор жана ноутбуктар сыяктуу кеңири колдонулган көчмө тиркемелерди максималдуу жана эң компакттуу сакталган энергия менен жаңыртуу керек. Бул, албетте, катуу разряд коркунучун жогорулатат жана мындай түзмөктөр үчүн батареялардын кичинекей форматы талап кылынгандыктан, аны башкарууга болот. Бирок батареялардын кеңири колдонулушу иштелип чыгып, сыналгандыктан, коопсуздук, бышыктык жана кубаттуулук эң маанилүү болуп саналат.
***
Булагы (с)
Шенг О жана башкалар. 2018. Mg2B2O5 нано зым менен иштетилген, жогорку иондук өткөрүмдүүлүгү, мыкты механикалык касиеттери жана жалынга чыдамдуулугу бар көп функциялуу катуу абалдагы электролиттери. Nano тамгалары. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
***
