Войти
Батареи Nanoball - это экспериментальные батареи с катодом или анодом изготовлены из наноразмерных шариков, которые могут состоять из различных материалов, таких как углерод и фосфат лития и железа. Батареи, в которых используется нанотехнология, более эффективны, чем обычные батареи, из-за значительно улучшенной площади поверхности, которая обеспечивает более высокие электрические характеристики, такие как быстрая зарядка и разрядка.
В 2009 году исследователи из Массачусетского технологического института были способен заряжать простой литий-железо-фосфатный наношарик за 10 секунд с помощью этой технологии. Теоретически это позволит быструю зарядку небольших электронных устройств, в то время как большие батареи все еще будут ограничены сетевым электричеством.
Прежде чем можно будет сделать углеродные наношары, необходимо сформировать углеродный стержень. Углеродный стержень готовят в присутствии ацетилена с порошком кокса (тип источника топлива с небольшим количеством примесей и высоким содержанием углерода) и формуют с использованием техники дугового разряда. В технике дугового разряда используются два электрода из высокочистого графита в качестве анода и катода, которые испаряются при прохождении постоянного тока. После некоторого периода времени после дугового разряда на катоде образуется углеродный стержень. Углеродный стержень затем помещают в реактор дугового разряда постоянного тока. Углеродный стержень действует как анод, а графитовый стержень высокой чистоты действует как катод. Ток, отрегулированный до 70-90 ампер, пропускали через два стержня в среде ацетилена под давлением от 0,05 до 0,06 МПа (мегапаскалей). Углеродные наночастицы образовывались на углеродном стержне в процессе дугового испарения. Затем углеродные наношарики исследовали с помощью FE-SEM () и STEM (просвечивающий электронный микроскоп ), который был оборудован энергодисперсионным рентгеновским излучением, работающим при 200 кВ (киловольт), рентгеновское излучение дифракция и рамановская спектроскопия. Большинство образовавшихся углеродных наношаров были спеченными (твердая масса материала, образовавшаяся под действием тепла и / или давления). Также были обнаружены следовые количества наношариков, которые существовали индивидуально, а не группой, а также несколько хлопковых наноматериалов.
Тесты, проведенные Университетом Аньхой. Технология показала, что углеродные наношарики внутри электрода ячейки обладают высокой обратимой емкостью и степенью сохранения емкости почти 74%. Это означает, что аккумулятор может разряжаться очень быстро и что при правильных условиях аккумулятор имеет почти три четверти всей своей энергии. Испытания, проведенные Институтом материалов и технологий Даляньского морского университета, также показали, что углеродные наношарики можно использовать для дальнейшего увеличения выхода энергии других материалов, таких как кремний. Изменение молекулярной структуры кремний-углеродных наношаров может также привести к более высокой зарядной и разрядной емкости, более длительной стабильности цикла (время до замены батареи) и хорошей производительности.
Как и углерод, литий также является хорошим проводником энергии. Он также уже используется в коммерческих литий-ионных батареях. Литий является хорошим проводником энергии, потому что он позволяет ионам переноситься быстрее, чем другие элементы, а также способен дольше удерживать эту энергию. Исследования показали, что покрытие частицы фосфата слоем LiFePO 4 (фосфат лития-железа) обеспечивает еще более высокую скорость переноса ионов. Фосфат железа и лития получали твердофазной реакцией с использованием Li 2CO3(карбонат лития), FeC 2O4(оксалат железа (II)) и NH 4H2PO4(дигидрофосфат аммония). Затем соединения помещали в ацетон и измельчали в шаровой мельнице (измельчение материалов вместе в специальном цилиндрическом устройстве) перед тем, как нагреть при 350 ° C в течение 10 часов и затем дать остыть до комнатной температуры. Затем смесь гранулировали под давлением 10000 фунтов. перед повторным нагреванием при 600 ° C в течение 10 часов в атмосфере аргона. Каждый созданный наношар имел диаметр около 50 нм (нанометров). В нормальных условиях электрохимические системы (например, батареи) могут достигать высоких значений мощности только с суперконденсаторами. Суперконденсаторы достигают высокого уровня 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 накапливать заряд на поверхности материала, фосфат лития-железа может достичь высокой мощности и высокой плотности энергии, накапливая заряд в своей массе (внутри углеродных наношаров). Это возможно, потому что фосфат лития-железа имеет высокую объемную подвижность лития. Создание быстрой ионопроводящей поверхностной фазы за счет контролируемой нестехиометрии (контроль молярного отношения реагентов и продуктов в молекулярном уравнении) позволило добиться сверхбыстрой скорости разряда.
Разряд Скоростные испытания проводились на электродах с 30% активного материала, 65% углерода и 5% связующего. Наношарики из фосфата лития-железа были собраны в перчаточном боксе, заполненном аргоном, и протестированы с использованием Maccor 2200 (тип системы тестирования батарей). Maccor 2000 был установлен в гальваностатический режим (измерение электрохимических характеристик) и использовал металлический литий в качестве анода и неводный электролит, а также Celgard 2600 или 2500 в качестве сепаратора. Окончательная скорость разрядки была достаточно высокой, чтобы зарядить аккумулятор примерно за 10–20 секунд, что примерно в 100 раз быстрее, чем у обычного аккумулятора.
Поскольку это экспериментальная процедура, проводимая в лабораторных условиях, еще не было никаких коммерческих продуктов, в которых реализована технология этого типа. Tesla Motors думала о внедрении аккумуляторов в виде наношаров в свои автомобили, но необходимое количество энергии и кабель, необходимый для передачи такого количества энергии, сделали бы это крайне неэффективным. На данный момент аккумуляторы nanoball все еще находятся в экспериментальной стадии. Помимо использования в автомобилях и телефонах, наношаровые батареи также можно использовать для оказания помощи в странах третьего мира и пострадавших от бедствий районах, поскольку их небольшой размер и высокая скорость разряда позволят быстро и эффективно распределять энергию.
Батареи Nanoball обладают большим потенциалом, но необходимо внести улучшения, прежде чем они станут жизнеспособным вариантом для замены существующих батарей. Будущие исследования будут включать в себя попытку интегрировать наношарики в катод литиевого элемента или слияние наношаров 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 наношаров графеном / углеродным покрытием предотвращает слишком быстрое разрушение кремниевых наношаров и улучшает общие электромеханические характеристики аккумулятора. Для коммерческого использования в автомобилях и других электрических транспортных средствах батарея наношара должна иметь возможность заряжать транспортное средство, используя меньше энергии. Несмотря на то, что аккумулятор может разряжаться очень быстро, требуется слишком много энергии для его использования. 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 того, сколько энергии может удерживать батарея, сделает батарею намного более эффективной. Эта технология также позволяет использовать батареи меньшего размера, так как катодный материал разлагается медленнее, чем в батареях, производимых в настоящее время.
