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Verwendung von Nanodrähten zur Herstellung sicherer und leistungsfähiger Batterien

INGENIEURWISSENSCHAFTENVerwendung von Nanodrähten zur Herstellung sicherer und leistungsfähiger Batterien

Studie hat einen Weg gefunden, Batterien, die wir täglich verwenden, widerstandsfähiger, leistungsfähiger und sicherer zu machen.

Wir schreiben das Jahr 2018 und unser Alltag wird jetzt von verschiedenen Geräten angetrieben, die entweder mit Strom oder mit Batterien betrieben werden. Unsere Abhängigkeit von batteriebetriebenen Geräten und Geräten wächst phänomenal. EIN Batterie ist ein Gerät, das chemische Energie speichert, die in Elektrizität umgewandelt wird. Batterien sind wie kleine chemische Reaktoren, deren Reaktion Elektronen voller Energie erzeugt, die durch das externe Gerät fließen. Ob Mobiltelefone oder Laptops oder sogar Elektrofahrzeuge, Batterien – im Allgemeinen Lithium-Ionen – sind die Hauptstromquelle für diese Technologien , besteht eine kontinuierliche Nachfrage nach kompakteren, leistungsfähigeren und sicheren wiederaufladbaren Batterien.

Batterien haben eine lange und glorreiche Geschichte. Der amerikanische Wissenschaftler Benjamin Franklin verwendete den Begriff „Batterie“ erstmals 1749, als er mit einem Satz verbundener Kondensatoren Experimente mit Elektrizität durchführte. Der italienische Physiker Alessandro Volta erfand 1800 die erste Batterie, als Scheiben aus Kupfer (Cu) und Zink (Zn) durch in Salzwasser getränkte Tücher getrennt wurden. Die Blei-Säure-Batterie, eine der langlebigsten und ältesten wiederaufladbaren Batterien, wurde 1859 erfunden und wird auch heute noch in vielen Geräten verwendet, darunter auch Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen.

Batterien haben einen langen Weg zurückgelegt und heute gibt es sie in einer Reihe von Größen von großen Megawatt-Größen, sodass sie theoretisch Strom aus Solarparks speichern und Ministädte beleuchten können, oder sie könnten so klein sein wie die in elektronischen Uhren verwendeten , wunderbar, nicht wahr. In einer sogenannten Primärbatterie ist die Reaktion, die den Elektronenfluss erzeugt, irreversibel, und schließlich wird die Batterie entladen oder stirbt, wenn einer ihrer Reaktanten verbraucht wird. Die gebräuchlichste Primärbatterie ist die Zink-Kohle-Batterie. Diese Primärbatterien waren ein großes Problem und die einzige Möglichkeit, solche Batterien zu entsorgen, bestand darin, eine Methode zu finden, mit der sie wiederverwendet werden konnten, d. h. sie wiederaufladbar machten. Der Austausch der Batterien durch neue war offensichtlich unpraktisch und so wurden die Batterien immer mehr größte treibende und groß wurde es fast unmöglich, sie zu ersetzen und zu entsorgen.

Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) waren die ersten populären wiederaufladbaren Batterien, die Alkali als Elektrolyt verwendeten. Im Jahr 1989 wurden Nickel-Metall-Wasserstoff-Batterien (NiMH) entwickelt, die eine längere Lebensdauer als NiCd-Batterien haben. Sie hatten jedoch einige Nachteile, hauptsächlich, dass sie sehr empfindlich auf Überladung und Überhitzung reagierten, insbesondere wenn sie bis zu ihrer maximalen Laderate geladen wurden mussten langsam und vorsichtig aufgeladen werden, um Schäden zu vermeiden, und erforderten längere Ladezeiten mit einfacheren Ladegeräten.

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) wurden 1980 erfunden und sind heute die am häufigsten verwendeten Batterien in Unterhaltungselektronikgeräten. Lithium ist eines der leichtesten Elemente und besitzt eines der größten elektrochemischen Potenziale, daher ist diese Kombination ideal für die Herstellung von Batterien geeignet. In LIBs bewegen sich Lithiumionen zwischen verschiedenen Elektroden durch einen Elektrolyten, der aus Salz und organischen Lösungsmitteln besteht (in den meisten herkömmlichen LIBs). Theoretisch ist Lithiummetall das elektrisch positivste Metall mit sehr hoher Kapazität und die bestmögliche Wahl für Batterien. Wenn LIBs gerade aufgeladen werden, wird das positiv geladene Lithium-Ion zu Lithiummetall. Daher sind LIBs aufgrund ihrer langen Lebensdauer und hohen Kapazität die beliebtesten wiederaufladbaren Batterien für den Einsatz in allen Arten von tragbaren Geräten. Ein großes Problem besteht jedoch darin, dass der Elektrolyt leicht verdunsten kann, was zu einem Kurzschluss in der Batterie und damit zu einer Brandgefahr führen kann. In der Praxis sind LIBs wirklich instabil und ineffizient, da die Lithiumdispositionen im Laufe der Zeit ungleichmäßig werden. LIBs haben auch niedrige Lade- und Entladeraten und Sicherheitsbedenken machen sie für viele Hochleistungs- und Hochleistungsmaschinen, zum Beispiel Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge, unrentabel. Es wurde berichtet, dass LIB in sehr seltenen Fällen gute Kapazitäts- und Retentionsraten aufweist.

Somit ist in der Welt der Batterien nicht alles perfekt, da in den letzten Jahren viele Batterien als unsicher eingestuft wurden, weil sie Feuer fangen, unzuverlässig und manchmal ineffizient sind. Wissenschaftler weltweit sind auf der Suche nach Batterien, die klein, sicher wiederaufladbar, leichter, widerstandsfähiger und gleichzeitig leistungsstärker sind. Daher hat sich der Fokus auf Festkörperelektrolyte als mögliche Alternative verlagert. Dies als Ziel beizubehalten Viele Optionen wurden von Wissenschaftlern ausprobiert, aber Stabilität und Skalierbarkeit waren bei den meisten Studien eine Hürde. Polymerelektrolyte haben großes Potenzial gezeigt, weil sie nicht nur stabil, sondern auch flexibel und zudem kostengünstig sind. Leider ist das Hauptproblem bei solchen Polymerelektrolyten ihre schlechte Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften.

In einer kürzlich in ACS . veröffentlichten Studie Nano-Buchstaben, haben Forscher gezeigt, dass die Sicherheit einer Batterie und sogar viele andere Eigenschaften durch Hinzufügen von Nanodrähten verbessert werden können, was die Batterie überlegen macht. Dieses Forscherteam vom College of Materials Science and Engineering der Zhejiang University of Technology, China, hat auf seiner früheren Forschung aufgebaut, bei der es Magnesiumborat-Nanodrähte mit guten mechanischen Eigenschaften und guter Leitfähigkeit herstellte. In der aktuellen Studie prüften sie, ob dies auch für Batterien gilt, wenn solche Nanodrähte werden einem Festkörper-Polymerelektrolyten zugesetzt. Festkörperelektrolyt wurde mit 5, 10, 15 und 20 Gewichten Magnesiumborat-Nanodrähten gemischt. Es zeigte sich, dass die Nanodrähte die Leitfähigkeit des Festkörper-Polymerelektrolyten erhöhten, was die Batterien im Vergleich zu früher ohne Nanodrähte robuster und widerstandsfähiger machte. Dieser Anstieg der Leitfähigkeit war auf die Zunahme der Anzahl von Ionen zurückzuführen, die den Elektrolyten passieren und sich durch den Elektrolyten bewegen, und zwar mit einer viel höheren Geschwindigkeit. Der gesamte Aufbau war wie eine Batterie, aber mit zusätzlichen Nanodrähten. Dies zeigte eine höhere Leistung und erhöhte Zyklen im Vergleich zu normalen Batterien. Es wurde auch ein wichtiger Entflammbarkeitstest durchgeführt und es wurde festgestellt, dass die Batterie nicht brennt. Die heute weit verbreiteten tragbaren Anwendungen wie Mobiltelefone und Laptops müssen mit maximaler und kompaktster gespeicherter Energie aufgerüstet werden. Dies erhöht offensichtlich die Gefahr einer gewaltsamen Entladung und ist für solche Geräte aufgrund des kleinen Formats der benötigten Batterien überschaubar. Da jedoch größere Anwendungen von Batterien entwickelt und erprobt werden, kommt Sicherheit, Haltbarkeit und Leistung eine höchste Bedeutung zu.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5-Nanodraht-fähige multifunktionale Festkörperelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und flammhemmender Leistung. Nano-Buchstaben. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

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