Utafiti umegundua njia ya kutengeneza betri tunazotumia kila siku ziwe imara zaidi, zenye nguvu na salama.
Mwaka ni 2018 na maisha yetu ya kila siku sasa yamechochewa na vifaa tofauti ambavyo vinaendelea umeme au kwenye betri. Utegemezi wetu kwa vifaa na vifaa vinavyoendeshwa na betri unaongezeka sana. A betri ni kifaa ambacho huhifadhi nishati ya kemikali ambayo hubadilishwa kuwa umeme. Betri ni vitendanishi vya kemikali kama mini ambavyo vina athari huzalisha elektroni iliyojaa nishati ambayo hutiririka kupitia kifaa cha nje. Iwe simu zake za mkononi au kompyuta ndogo au hata magari mengine ya umeme, betri - kwa ujumla lithiamu-ion - ndicho chanzo kikuu cha nishati ya teknolojia hizi. Kadiri teknolojia inavyoendelea kukua, kuna mahitaji yanayoendelea ya betri zilizoshikana zaidi, zenye uwezo wa juu na salama zinazoweza kuchajiwa tena.
Betri zina historia ndefu na tukufu. Mwanasayansi wa Marekani Benjamin Franklin alitumia kwanza neno "betri" mwaka wa 1749 wakati akifanya majaribio ya umeme kwa kutumia seti ya capacitors zilizounganishwa. Mwanafizikia wa Kiitaliano Alessandro Volta alivumbua betri ya kwanza mnamo 1800 alipoweka diski za shaba (Cu) na zinki (Zn) zilizotenganishwa na kitambaa kilichowekwa kwenye maji ya chumvi. Betri ya asidi ya risasi, mojawapo ya betri zinazodumu na kongwe zaidi zinazoweza kuchajiwa tena ilivumbuliwa mwaka wa 1859 na bado inatumika katika vifaa vingi hata leo ikijumuisha injini ya mwako wa ndani katika magari.
Betri zimetoka mbali sana na leo zinakuja kwa ukubwa tofauti na ukubwa wa Megawati kubwa, hivyo kwa nadharia zina uwezo wa kuhifadhi umeme kutoka kwenye mashamba ya jua na kuwasha miji midogo au zinaweza kuwa ndogo kama zile zinazotumika kwenye saa za kielektroniki. , ya ajabu sivyo. Katika kile kiitwacho betri ya msingi, mmenyuko unaotoa mtiririko wa elektroni hauwezi kutenduliwa na hatimaye wakati kiitikio chake kimoja kinapotumiwa, betri huwa bapa au kufa. Betri ya msingi ya kawaida ni betri ya zinki-kaboni. Betri hizi za msingi zilikuwa tatizo kubwa na njia pekee ya kukabiliana na utupaji wa betri kama hizo ilikuwa kutafuta mbinu ambayo zinaweza kutumika tena - ambayo ina maana kwa kuzifanya ziwe za kuchaji tena. Ubadilishaji wa betri na mpya kwa wazi haukuwezekana na kwa hivyo betri zilikua zaidi nguvu na kubwa ikawa karibu haiwezekani sembuse ghali kabisa kuzibadilisha na kuzitupa.
Betri ya Nickel-cadmium (NiCd) ilikuwa betri ya kwanza maarufu inayoweza kuchajiwa ambayo ilitumia alkali kama elektroliti. Mnamo 1989 betri za nikeli-metali za hidrojeni (NiMH) zilitengenezwa kuwa na maisha marefu kuliko betri za NiCd. Hata hivyo, walikuwa na baadhi ya vikwazo, hasa kwamba walikuwa nyeti sana kwa malipo ya kupita kiasi na joto kupita kiasi hasa walipotozwa sema kiwango chao cha juu zaidi. Kwa hivyo, ilibidi zitozwe polepole na kwa uangalifu ili kuepuka uharibifu wowote na zilihitaji muda mrefu zaidi ili kutozwa na chaja rahisi zaidi.
Betri za Lithium-ioni (LIB) zilivumbuliwa mwaka wa 1980 ndizo zinazotumika sana kwa watumiaji. umeme vifaa leo. Lithiamu ni moja wapo ya vitu vyepesi zaidi na ina moja ya uwezo mkubwa zaidi wa kielektroniki, kwa hivyo mchanganyiko huu unafaa kwa kutengeneza betri. Katika LIBs, ioni za lithiamu hutembea kati ya elektrodi tofauti kupitia elektroliti ambayo imetengenezwa kwa chumvi na kikaboni vimumunyisho (katika LIB nyingi za kitamaduni). Kinadharia, chuma cha lithiamu ndicho chuma chanya zaidi ya umeme kilicho na uwezo wa juu sana na ni chaguo bora zaidi kwa betri. Wakati LIB zinachaji tena, ioni ya lithiamu iliyochajiwa vyema inakuwa metali ya lithiamu. Hivyo basi, LIB ni betri maarufu zaidi zinazoweza kuchajiwa kwa matumizi katika kila aina ya vifaa vinavyobebeka kutokana na maisha yao marefu na uwezo wa juu. Hata hivyo, tatizo moja kubwa ni kwamba elektroliti inaweza kuyeyuka kwa urahisi, na kusababisha mzunguko mfupi katika betri na hii inaweza kuwa hatari ya moto. Kiutendaji, LIBs hazina uthabiti na hazina ufanisi kwani baada ya muda vifaa vya lithiamu vinakuwa visivyo sare.LIB pia zina viwango vya chini vya malipo na kutokwa na maswala ya usalama huzifanya zishindwe kutumika kwa mashine nyingi zenye uwezo wa juu na zenye uwezo wa juu, kwa mfano magari ya umeme na mseto ya umeme. LIB imeripotiwa kuonyesha uwezo mzuri na viwango vya kubaki katika matukio nadra sana.
Kwa hivyo, kila kitu si kamilifu katika ulimwengu wa betri kwani katika miaka ya hivi karibuni betri nyingi zimetiwa alama kuwa si salama kwa sababu zinashika moto, hazitegemewi na wakati mwingine hazifanyi kazi. Wanasayansi duniani kote wako katika jitihada za kujenga betri ambazo zitakuwa ndogo, za kuchaji kwa usalama, nyepesi, zinazostahimili nguvu zaidi na wakati huo huo zenye nguvu zaidi. Kwa hiyo, lengo limehamia kwenye elektroliti za hali dhabiti kama njia mbadala inayowezekana. Kuweka hili kama chaguo nyingi zimejaribiwa na wanasayansi, lakini uthabiti na uthabiti imekuwa kikwazo cha tafiti nyingi. Elektroliti za polima zimeonyesha uwezo mkubwa kwa sababu sio tu dhabiti lakini pia zinaweza kubadilika na pia ni za bei ghali. Kwa bahati mbaya, suala kuu la elektroliti za polima kama hizo ni uboreshaji wao duni na sifa za kiufundi.
Katika utafiti wa hivi majuzi uliochapishwa katika ACS Barua za Nano, watafiti zimeonyesha kuwa usalama wa betri na hata sifa nyingine nyingi zinaweza kuimarishwa kwa kuongeza nanowires kwake, na kufanya betri kuwa bora zaidi. Timu hii ya watafiti kutoka Chuo cha Sayansi ya Nyenzo na Uhandisi, Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Zhejiang, China wamejikita katika utafiti wao wa awali ambapo walitengeneza nanowire za magnesiamu borate ambazo zilionyesha sifa nzuri za kiufundi na mvuto. Katika utafiti wa sasa walikagua ikiwa hii pia itakuwa kweli kwa betri wakati zipo nanowires huongezwa kwa elektroliti ya polima ya hali dhabiti. Elektroliti ya hali mango ilichanganywa na uzani wa 5, 10, 15 na 20 wa nanowires za magnesiamu borate. Ilionekana kuwa nanowires ziliongeza utendakazi wa elektroliti ya polima ya hali dhabiti ambayo ilifanya betri ziwe imara zaidi na zinazostahimili uthabiti ikilinganishwa na hapo awali zisizo na nanowires. Ongezeko hili la conductivity lilitokana na ongezeko la idadi ya ions kupita na kusonga kupitia electrolyte na kwa kasi zaidi. Usanidi mzima ulikuwa kama betri lakini na nanowires zilizoongezwa. Hii ilionyesha kiwango cha juu cha utendakazi na mizunguko iliyoongezeka ikilinganishwa na betri za kawaida. Jaribio muhimu la kuvimba pia lilifanyika na ilionekana kuwa betri haikuwaka. Programu zinazobebeka zinazotumika siku hizi kama vile simu za mkononi na kompyuta ndogo zinahitaji kuboreshwa kwa kiwango cha juu zaidi na cha nishati iliyoshikana zaidi. Hii inaongeza hatari ya kutokwa kwa vurugu na inaweza kudhibitiwa kwa vifaa kama hivyo kwa sababu ya umbizo ndogo la betri zinazohitajika. Lakini jinsi matumizi makubwa ya betri yanavyoundwa na kujaribiwa, usalama, uimara na nguvu huchukua umuhimu wa hali ya juu.
***
Chanzo (s)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire Imewasha Electroliti za Hali Imara Yenye Kazi Nyingi zenye Upitishaji wa Ionic wa Juu, Sifa Bora za Mitambo, na Utendaji Unaozuia Moto. Barua za Nano. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
***
