טעינה מלאה תוך 18 שניות? ! לא צריך יותר לדאוג לצאת מהבית ולגמר הסוללה...
Aug 14, 2023| טלפונים סלולריים, מחשבים, טאבלטים וכו' המשתמשים בסוללות כמקורות אנרגיה הפכו לחלק מחיינו, ויותר ויותר אנשים מתחילים לסבול מ"חרדת חשמל", במקביל, הפופולריות המואצת של רכבי אנרגיה חדשים הפכה לחלק מהחיים שלנו. עשה את זה יותר ויותר קשה עבור אנשים לטעון סוללות ארוכות - מהר יותר! טען את הסוללה קצת יותר מהר! זה הפך למשאלה המשותפת של כולם.
המשאלה הזו עשויה להתגשם בקרוב. לאחרונה, הצוות של Song Li, פרופסור במעבדה הלאומית לקרינת סינכרוטרונים באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין, פיתח סוללה עם יכולת טעינה מהירה.
היום נדבר יותר על המחקר הזה.
סוללת ליתיום-יון היא מכשיר אחסון אנרגיה מוכר. עם היתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה וטווח טמפרטורות עבודה רחב, סוללות ליתיום-יון תפסו את הרוב המכריע של הסוללות המסחריות. עם זאת, לאלקטרוליט האורגני המשמש פגיעה מסוימת בגוף האדם, והמחסור במשאבי ליתיום יוביל למחסור בשוק הסוללות בעתיד.
סוללת האבץ-יון, ככישרון חדש בתחום אגירת האנרגיה, לא רק בעלת צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה, אלא גם בעלת אלקטרוליט מים לא רעיל, המבטיח ייצור ויישום בטוחים ויעילים. בנוסף, משאבי אבץ זולים ושופעים גם מפחיתים מאוד את עלות השימוש בסוללה, צפוי להפוך בעתיד לתחליף פוטנציאלי לסוללות ליתיום-יון.
למרות שיש הבדלים רבים בשימוש בחומרים, מצב העבודה של סוללות אבץ-יון וסוללות ליתיום-יון בתהליך הטעינה והפריקה דומה מאוד.
חומר הקתודה של הסוללה לרוב מרובד: במהלך תהליך פריקת הסוללה יוטמעו בשכבת חומר הקתודה יוני ליתיום (או יוני אבץ) לאחסון; במהלך תהליך הטעינה של הסוללה, יוני ליתיום (או יוני אבץ) יברחו משכבת החומר החיובית ויחזרו לאלקטרודה השלילית.
באופן כללי, עקרון העבודה של הסוללה הוא תהליך של נדידת יונים והעברת אלקטרונים.
העיקרון של טעינת סוללה מהירה
אז במחקר המדעי הזה, איך מושגת סוללת הטעינה המהירה?
1. הרחבת תעלות הובלת יונים
כפי שהוזכר לעיל, תהליך הטעינה והפריקה של סוללות אבץ-יון הוא תהליך של נדידת יונים מתמשכת. אם אתה רוצה לאחסן כמה שיותר קיבולת סוללה בפרק זמן קצר, אתה צריך ליצור מקום אחסון גדול עבור יוני אבץ.
ראשית, החוקרים התמקדו בחומרי ונדיום פנטאוקסיד שכבות עם מבנה מרחבי מתכוונן. החומר השכבתי של ונדיום פנטאוקסיד בנוי כאילו הוא מסודר על ידי מספר לוחות מקבילים. על מנת להגדיל את מרווח השכבות של חומר הקתודה השכבתי, ניתן לשלב מראש יוני אמוניום גדולים יותר. זה כדי להוסיף כמה עמודים בין השכבות האלה מראש כדי להגדיל את מרווח השכבות.
עם התמיכה של יוני אמוניום, יוני אבץ יכולים לנדוד בקלות רבה יותר בחומר האלקטרודה החיובית, וחלל השכבות הגדול יותר יכול גם לשפר ביעילות את קיבולת אחסון האנרגיה של הסוללה.
2. מהתאמה של תפוסת מסלול להאצת העברת אלקטרונים
חשוב לדעת שתהליך אגירת האנרגיה של הסוללה קשור קשר הדוק לנדידת יונים והעברת אלקטרונים. כאשר יוני אבץ נכנסים לשכבת החומר הקתודה לצורך אחסון, חלק מהאלקטרונים יועברו גם לחומר הקתודה כדי לשמור על איזון המטען הכולל. לכן, חשוב מאוד גם ללמוד את השפעתם של יונים משולבים על המבנה האלקטרוני של חומרים שכבות.
עם זאת, שיטות בדיקה קונבנציונליות קשות לחקור בבירור את המבנים האטומיים והאלקטרוניים הפנימיים של חומרים. לכן, יש צורך בטכניקות מתקדמות יותר לאפיון קרינת סינכרוטרונים לגילוי. במילים פשוטות, ניתן להבין את טכנולוגיית קרינת סינכרוטרון כגרסה משופרת של "סופר מיקרוסקופ", תוך שימוש בבהירות הגבוהה ובמאפייני הפס הרחב שלו כדי לראות את המבנה הפנימי של החומר.
באמצעות טכניקה זו, החוקרים חקרו את השינויים בעיסוק במסלול האטומי בחומר ונדיום פנטאוקסיד לאחר החדרת עמודי יוני אמוניום בין שכבות ואת האבולוציה ההפיכה של תהליך המטען והפריקה.
כאן אנו מציגים לראשונה את הרעיון הבסיסי של מבנה אלקטרוני.
עבור יסודות עם אלקטרונים חוץ-גרעיניים, האלקטרונים שלהם אינם עמוסים, אלא מסודרים במסלולים. יתר על כן, האלקטרונים תמיד תופסים את אורביטלי האנרגיה התחתונים קודם, כלומר את הגרעינים במרכז, המסודרים מבפנים החוצה.
עבור ונדיום, סידור אלקטרוני הערכיות שלו מוצג להלן, עם חמישה אלקטרונים ערכיים בשכבה החיצונית. בוונדיום פנטאוקסיד, כל חמשת האלקטרונים משמשים לקשר עם אטומי חמצן. בשלב זה, המסלול התלת-ממדי של ונדיום הוא המסלול הריק שאינו תפוס על ידי אלקטרונים.
3. הוויסות הכפול של מבנה הגביש והמבנה האלקטרוני גורם לטעינה מהירה ולמחזור יציב להתממש
בעת שימוש בחומר הקתודי החדש הזה, סוללת zn-ion משיגה קיבולת של 101mAh/g בצפיפות זרם של 200C, והטעינה אורכת רק 18 שניות. במקביל, אלקטרוליט המים גם מבטיח את בטיחות תהליך המחזור ומפחית את הזיהום לסביבה.
במאמר זה, מרווח השכבות ומצב העיסוק במסלול של חומרי השכבות מתוכננים ומווסתים ממבנה הגביש והמבנה האלקטרוני של החומרים. יחד עם זאת, בשילוב עם אמצעי אפיון קרינת סינכרוטרון מתקדמים, האבולוציה של מבנה החומר אינטואיטיבית וברורה יותר, כך שמתאפשר חומר האלקטרודה החיובית עם מאפייני טעינה מהירה.
אולי בעתיד הקרוב, חומרים כאלה יכולים לשמש במוצרים אלקטרוניים, ואפילו תחבורה ציבורית. הקיצור המשמעותי בזמן הטעינה יכול להפוך את חייהם של אנשים ליעילים ונוחים יותר; חומרי סוללה בטוחים ונקיים יכולים גם להפחית את העומס על הסביבה. תאמינו שהטכנולוגיה תגרום ליום הזה לא רחוק.