Nanobaterie

Zdjęcie po lewej: pokazuje, jak wygląda bateria o rozmiarach nano w ramach transmisyjnej spektrometrii elektronów (TEM) Środek obrazu i prawa: NIST był w stanie użyć TEM do obejrzenia baterii o rozmiarach nano i odkrył, że prawdopodobnie istnieje granica tego, jak cienka może być warstwa elektrolitu, dopóki awarie baterii. Źródło: Talin/NIST Autor: Narodowy Instytut Standardów i Technologii

Nanobaterie to wytwarzane baterie wykorzystujące technologię w nanoskali , cząstki o wymiarach mniejszych niż 100 nanometrów lub 10-7 ^metrów . Baterie te mogą mieć rozmiar nano lub mogą wykorzystywać nanotechnologię w baterii w skali makro. Baterie w nanoskali można łączyć, aby działały jako makrobateria, na przykład w baterii nanoporowej .

Tradycyjna technologia akumulatorów litowo-jonowych wykorzystuje materiały aktywne, takie jak tlenek kobaltu lub tlenek manganu, z cząsteczkami o wielkości od 5 do 20 mikrometrów (5000 do 20000 nanometrów – ponad 100-krotność nanoskali). Istnieje nadzieja, że nanoinżynieria poprawi wiele niedociągnięć obecnej technologii akumulatorów, takich jak zwiększenie objętości i gęstość mocy.

Tło

Podstawowy schemat działania baterii jonowej. Niebieskie strzałki oznaczają rozładowanie. Jeśli obie strzałki byłyby odwrócone, akumulator ładowałby się i akumulator ten byłby wtedy traktowany jako akumulator dodatkowy (ładowalny) .

Akumulator przetwarza energię chemiczną na energię elektryczną i składa się z trzech ogólnych części:

Anoda (elektroda dodatnia)
Katoda (elektroda ujemna)
Elektrolit

Anoda i katoda mają dwa różne potencjały chemiczne, które zależą od reakcji zachodzących na obu końcach. Elektrolit może być ciałem stałym lub cieczą przewodzącą jony. Granica między elektrodą a elektrolitem nazywana jest interfazą ciało stałe-elektrolit (SEI). Połączenie obwodu między elektrodami powoduje, że energia chemiczna zmagazynowana w akumulatorze zostaje przekształcona w energię elektryczną.

Ograniczenia obecnej technologii baterii

Zdolność akumulatora do magazynowania ładunku zależy od jego gęstości energii i gęstości mocy . Ważne jest, aby ładunek mógł być przechowywany i aby maksymalna ilość ładunku mogła być przechowywana w akumulatorze. Ważnymi kwestiami są również jazda na rowerze i zwiększanie objętości. Chociaż istnieje wiele innych rodzajów akumulatorów, obecna technologia akumulatorów opiera się na interkalacji litowo-jonowej ze względu na dużą moc i gęstość energii, długi cykl życia i brak efektu pamięci. Te cechy sprawiły, że akumulatory litowo-jonowe są preferowane w stosunku do innych typów akumulatorów. Aby udoskonalić technologię akumulatorów, należy zmaksymalizować zdolność cykliczną oraz gęstość energii i mocy, a także zminimalizować rozszerzanie się objętości.

Podczas interkalacji litu objętość elektrody rozszerza się, powodując naprężenia mechaniczne. Naprężenia mechaniczne naruszają strukturalną integralność elektrody, powodując jej pękanie. Nanocząsteczki mogą zmniejszać naprężenia wywierane na materiał, gdy bateria przechodzi cykl, ponieważ zwiększenie objętości związane z nanocząstkami jest mniejsze niż zwiększenie objętości związane z mikrocząstkami. Niewielka ekspansja objętości związana z nanocząstkami poprawia również odwracalność baterii: zdolność baterii do przechodzenia wielu cykli bez utraty ładunku.

W obecnej technologii akumulatorów litowo-jonowych szybkość dyfuzji litu jest niska. Dzięki nanotechnologii można osiągnąć szybsze tempo dyfuzji. Nanocząsteczki wymagają krótszych odległości do transportu elektronów, co prowadzi do szybszego tempa dyfuzji i wyższej przewodności, co ostatecznie prowadzi do większej gęstości mocy.

Zalety nanotechnologii

Wykorzystanie nanotechnologii do produkcji baterii daje następujące korzyści:

Zwiększenie dostępnej mocy z baterii i skrócenie czasu potrzebnego do naładowania baterii. Korzyści te uzyskuje się przez pokrycie powierzchni elektrody nanocząstkami, co zwiększa powierzchnię elektrody, umożliwiając w ten sposób większy przepływ prądu między elektrodą a substancjami chemicznymi wewnątrz baterii.
Nanomateriały mogą być stosowane jako powłoka oddzielająca elektrody od wszelkich płynów znajdujących się w akumulatorze, gdy akumulator nie jest używany. W obecnej technologii baterii ciecze i ciała stałe oddziałują, powodując niewielkie rozładowanie. Zmniejsza to żywotność baterii.

Wady nanotechnologii

Nanotechnologia stwarza własne wyzwania w zakresie akumulatorów:

Nanocząstki mają małą gęstość i dużą powierzchnię. Im większa powierzchnia, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji na powierzchni z powietrzem. Służy to destabilizacji materiałów w baterii.
Ze względu na małą gęstość nanocząstek istnieje wyższy opór międzycząsteczkowy, co zmniejsza przewodnictwo elektryczne materiału.
Nanomateriały mogą być trudne w produkcji, co zwiększa ich koszt. Chociaż nanomateriały mogą znacznie poprawić możliwości baterii, ich produkcja może być nieopłacalna.

Aktywne i przeszłe badania

Przeprowadzono wiele badań dotyczących akumulatorów litowo-jonowych, aby zmaksymalizować ich potencjał. Aby właściwie wykorzystać czyste zasoby energii, takie jak energia słoneczna , wiatrowa i energia pływów morskich , potrzebne są akumulatory zdolne do magazynowania ogromnych ilości energii wykorzystywanej w sieciowych magazynach energii . Badane są elektrody z fosforanu litowo-żelazowego pod kątem potencjalnych zastosowań w sieciowym magazynowaniu energii.

Pojazdy elektryczne to kolejna technologia wymagająca ulepszonych akumulatorów. Akumulatory pojazdów elektrycznych wymagają obecnie długich czasów ładowania, co skutecznie uniemożliwia ich stosowanie w samochodach elektrycznych na duże odległości.

Nanostrukturalne materiały anodowe

Grafit i SEI

Anoda w bateriach litowo-jonowych jest prawie zawsze grafitowa . Anody grafitowe muszą poprawić swoją stabilność termiczną i zapewnić wyższą wydajność energetyczną. Grafit i niektóre inne elektrolity mogą ulegać reakcjom, które redukują elektrolit i tworzą SEI, skutecznie zmniejszając potencjał akumulatora. Nanopowłoki w SEI są obecnie badane w celu powstrzymania tych reakcji.

W akumulatorach litowo-jonowych SEI jest niezbędny do stabilności termicznej, ale utrudnia przepływ jonów litu z elektrody do elektrolitu. Park i in. opracowali nanoskalową powłokę polidopaminową, dzięki której SEI nie koliduje już z elektrodą; zamiast tego SEI oddziałuje z powłoką polidopaminową.

Grafen i inne materiały węglowe

Grafen był szeroko badany pod kątem jego zastosowania w systemach elektrochemicznych, takich jak baterie, od czasu jego pierwszej izolacji w 2004 r. Grafen ma dużą powierzchnię i dobrą przewodność. W obecnej technologii akumulatorów litowo-jonowych sieci 2D grafitu hamują płynną interkalację litowo-jonową; jony litu muszą podróżować wokół arkuszy grafitu 2D, aby dotrzeć do elektrolitu. Spowalnia to szybkość ładowania akumulatora. Obecnie badane są porowate materiały grafenowe, aby rozwiązać ten problem. Porowaty grafen obejmuje albo powstawanie defektów w arkuszu 2D, albo tworzenie trójwymiarowej porowatej nadbudowy na bazie grafenu.

Jako anoda grafen zapewniłby miejsce na ekspansję, tak że problem rozszerzania się objętości nie występuje. Grafen 3D wykazał niezwykle wysokie szybkości ekstrakcji litowo-jonowej, co wskazuje na wysoką odwracalną wydajność. Również losowa wizualizacja „domku z kart” widoczna poniżej anody grafenowej pozwoliłaby na przechowywanie jonów litu nie tylko na wewnętrznej powierzchni grafenu, ale także na nanoporach, które istnieją między pojedynczymi warstwami grafenu.

Raccchini i in. nakreślono również wady grafenu i kompozytów na bazie grafenu. Grafen ma duży nieodwracalny mechanizm podczas pierwszego etapu litowania. Ponieważ grafen ma dużą powierzchnię, spowoduje to dużą początkową nieodwracalność. Zaproponował, że ta wada jest tak duża, że ogniwa oparte na grafenie są „niewykonalne”. Wciąż trwają badania nad grafenem w anodach.

Nanorurki węglowe zostały wykorzystane jako elektrody do akumulatorów wykorzystujących interkalację, takich jak akumulatory litowo-jonowe, w celu zwiększenia pojemności.

Tlenki tytanu

Tlenki tytanu to kolejny materiał anodowy, który został przebadany pod kątem zastosowania w pojazdach elektrycznych i magazynowaniu energii w sieciach. Jednak niskie możliwości elektroniczne i jonowe, a także wysoki koszt tlenków tytanu dowiodły, że materiał ten jest niekorzystny w stosunku do innych materiałów anodowych.

Anody na bazie krzemu

Anody na bazie krzemu były również badane pod kątem ich większej teoretycznej wydajności niż grafit. Anody na bazie krzemu charakteryzują się dużą szybkością reakcji z elektrolitem, małą pojemnością objętościową i niezwykle dużym rozszerzeniem objętości podczas cykli. Jednak ostatnio wykonano prace w celu zmniejszenia rozszerzalności objętości anod na bazie krzemu. Tworząc sferę przewodzącego węgla wokół atomu krzemu, Liu i in. udowodnił, że ta niewielka zmiana strukturalna pozostawia wystarczająco dużo miejsca na rozszerzanie się i kurczenie krzemu bez mechanicznego obciążania elektrody.

Nanostrukturalne materiały katodowe

Nanostruktury węglowe zostały wykorzystane do zwiększenia możliwości elektrod, czyli katody. W akumulatorach LiSO ₂ nanostrukturyzacja węglowa była w stanie teoretycznie zwiększyć gęstość energii akumulatora o 70% w stosunku do obecnej technologii akumulatorów litowo-jonowych. Ogólnie stwierdzono , że stopy litu mają zwiększoną teoretyczną gęstość energii niż jony litu.

Tradycyjnie LiCoO2 _był używany jako katoda w bateriach litowo-jonowych. Pierwszą udaną alternatywną katodą do użytku w pojazdach elektrycznych była LiFePO ₄ . LiFePO ₄ wykazał zwiększoną gęstość mocy, dłuższą żywotność i lepsze bezpieczeństwo niż LiCoO ₂ .

Grafen

Podczas interkalacji a) jony litu w siatkę grafitową, b) jony litu w siatkę grafenową, c) jony sodu niezdolne do wpasowania się w siatkę grafitową, d) jony sodu w siatkę grafenową.

Grafen można wykorzystać do poprawy przewodności elektrycznej materiałów katodowych. LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ i LiFePO ₄ to powszechnie stosowane materiały katodowe w akumulatorach litowo-jonowych. Te materiały katodowe są zwykle mieszane z innymi materiałami kompozytowymi, aby poprawić ich zdolność do zwiększania szybkości. Ponieważ grafen ma wyższą przewodność elektryczną niż inne materiały kompozytowe, takie jak sadza, grafen ma większą zdolność ulepszania tych materiałów katodowych niż inne dodatki kompozytowe.

Piao i in. specjalnie zbadał porowaty grafen w odniesieniu do samego grafenu. Porowaty grafen w połączeniu z LiFePO ₄ był korzystniejszy niż sam grafen w połączeniu z LiFePO ₄ ze względu na lepszą stabilność cyklu. Porowaty grafen tworzył dobre kanały porów do dyfuzji jonów litu i zapobiegał gromadzeniu się cząstek LiFePO ₄ .

Raccchini i in. sugerował kompozyty na bazie grafenu jako katody w bateriach sodowo-jonowych . Jony sodu są zbyt duże, aby zmieścić się w typowej sieci grafitowej, więc grafen umożliwiłby interkalację jonów sodu. Zasugerowano również, że grafen może rozwiązać niektóre problemy związane z bateriami litowo-siarkowymi . Problemy związane z akumulatorami litowo-siarkowymi obejmują rozpuszczanie półproduktu w elektrolicie, duże rozszerzanie objętości i słabą przewodność elektryczną. Grafen został zmieszany z siarką na katodzie w celu poprawy pojemności, stabilności i przewodności tych akumulatorów.

Elektrody konwersyjne

Elektrody konwersyjne to elektrody, w których chemiczne wiązania jonowe są rozrywane i odtwarzane. Następuje również przemiana struktury krystalicznej cząsteczek. W elektrodach konwersyjnych trzy jony litu mogą pomieścić każdy jon metalu, podczas gdy obecna technologia interkalacji może pomieścić tylko jeden jon litu na każdy jon metalu. Większy stosunek litu do jonów metali wskazuje na zwiększoną pojemność baterii. Wadą elektrod konwersyjnych jest duża histereza napięciowa .

Mapowanie

Balke i in. ma na celu zrozumienie mechanizmu interkalacji akumulatorów litowo-jonowych w nanoskali. Mechanizm ten jest zrozumiały w mikroskali, ale zachowanie materii zmienia się w zależności od wielkości materiału. Zhu i in. mapują również interkalację jonów litu w nanoskali za pomocą mikroskopii z sondą skanującą .

Modele matematyczne interkalacji baterii litowych zostały obliczone i nadal są badane. Whittingham zasugerował, że nie ma jednego mechanizmu, dzięki któremu jony litu przemieszczają się przez elektrolit w akumulatorze. Ruch zależał od różnych czynników, w tym między innymi od wielkości cząstek, stanu termodynamicznego lub stanu metastabilnego baterii oraz od tego, czy reakcja przebiegała w sposób ciągły. Ich dane eksperymentalne dla LiFePO ₄ – FePO ₄ sugerowały ruch jonów Li po zakrzywionej ścieżce, a nie liniowy prosty skok w elektrolicie.

Zbadano również mechanizmy interkalacji dla wielowartościowych kationów. Lee i in. zbadał i określił właściwy mechanizm interkalacji akumulatorów cynkowych.

Rozciągliwa elektronika

Te włóknopodobne elektrody są zwijane jak sprężyny, aby uzyskać ich elastyczność. a) jest nierozciągniętą sprężyną, b) jest częściowo rozciągniętą sprężyną, co pokazuje, jak giętkie są te włókna.

Przeprowadzono również badania nad wykorzystaniem sprężyn z włókna węglowego nanorurek jako elektrod. LiMn ₂ O ₄ i Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ to nanocząstki, które zostały użyte odpowiednio jako katoda i anoda i wykazały zdolność rozciągania się o 300% swojej pierwotnej długości. Zastosowania rozciągliwej elektroniki obejmują urządzenia do magazynowania energii i ogniwa słoneczne.

Baterie do druku

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles z powodzeniem opracowali „atrament nanorurkowy” do produkcji elastycznych baterii przy użyciu technik elektroniki drukowanej . Sieć nanorurek węglowych została wykorzystana jako forma elektronicznie przewodzących nanoprzewodów w katodzie baterii cynkowo-węglowej . Za pomocą atramentu nanorurkowego rura katody węglowej i elementy elektrolitu z tlenku manganu baterii cynkowo-węglowej można wydrukować jako różne warstwy na powierzchni, na której można wydrukować warstwę anody z folii cynkowej. Ta technologia zastępuje kolektory ładunku, takie jak blachy lub folie, losowym układem nanorurek węglowych. Nanorurki węglowe zwiększają przewodnictwo. Można wytwarzać cienkie i elastyczne baterie o grubości mniejszej niż milimetr.

Chociaż prądy rozładowania akumulatorów są obecnie poniżej poziomu praktycznego zastosowania, nanorurki w tuszu umożliwiają przewodzenie ładunku wydajniej niż w konwencjonalnej baterii, dzięki czemu technologia nanorurek może doprowadzić do poprawy wydajności baterii. Taka technologia ma zastosowanie w ogniwach słonecznych , superkondensatorach , diodach elektroluminescencyjnych i inteligentnych znacznikach identyfikacji radiowej (RFID).

Firmy badające

Toshiby

Dzięki zastosowaniu nanomateriału firma Toshiba zwiększyła powierzchnię litu i poszerzyła wąskie gardło, umożliwiając cząsteczkom przechodzenie przez ciecz i szybsze ładowanie akumulatora. Firma Toshiba twierdzi, że przetestowała nową baterię, rozładowując ją i w pełni ładując tysiąc razy w temperaturze 77°C, i stwierdziła, że straciła tylko jeden procent swojej pojemności, co wskazuje na długą żywotność baterii. °C Bateria Toshiby ma grubość 3,8 mm, wysokość 62 mm i głębokość 35 mm.

A123Systemy

Firma A123Systems opracowała również komercyjną baterię nano Li-Ion. A123 Systems twierdzi, że ich akumulator ma najszerszy zakres temperatur -30 .. +70 °C . Podobnie jak nanobateria firmy Toshiba, akumulatory litowo-jonowe A123 ładują się do „wysokiej pojemności” w ciągu pięciu minut. Bezpieczeństwo jest kluczową cechą reklamowaną przez technologię A123, z wideo na ich stronie internetowej z testem wbijania gwoździ, w którym gwóźdź jest wbijany przez tradycyjną baterię litowo-jonową i baterię litowo-jonową A123, w której tradycyjna bateria zapala się i bąbelkami na jednym końcu, bateria A123 po prostu emituje smużkę dymu w miejscu penetracji. Przewodność cieplna to kolejna zaleta baterii A123, z twierdzeniem, że bateria A123 oferuje 4 razy wyższą przewodność cieplną niż konwencjonalne cylindryczne ogniwa litowo-jonowe. Stosowana przez nich nanotechnologia to opatentowana technologia nanofosforanowa.

Wartościowość

Na rynku jest również Valence Technology , Inc. Technologia, którą wprowadzają na rynek, to Saphion Li-Ion Technology. Podobnie jak A123, wykorzystują technologię nanofosforanową i inne materiały aktywne niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe.

Altaira

AltairNano opracował również nanobaterię z jednominutowym ładowaniem. Postęp, który Altair twierdzi, że dokonał, polega na optymalizacji nanostrukturalnego tlenku spinelu tytanianu litu (LTO).

Amerykańska fotonika

Firma US Photonics jest w trakcie opracowywania nanobaterii wykorzystującej „ przyjazne dla środowiska ” nanomateriały zarówno dla anody, jak i katody, a także szeregi pojedynczych nanopojemników na ogniwa w postaci stałego elektrolitu polimerowego. Firma US Photonics otrzymała grant National Science Foundation SBIR fazy I na rozwój technologii nanobaterii.

Sony

Wyprodukował pierwszą baterię litowo-jonową na bazie kobaltu w 1991 roku. Od momentu powstania tej pierwszej baterii litowo-jonowej, trwają badania nad nanobateriami, a Sony kontynuuje swoje postępy w dziedzinie nanobaterii.

Zobacz też

Linki zewnętrzne