Nuacht Tionscail

D'fhéadfadh cadhnraí níos cumhachtaí a bheith mar thoradh ar dhearadh leictreoid nua

2021-11-03




Tá anóid miotail litiam ceaptha ag foireann MIT a d'fhéadfadh feabhas a chur ar fad saoil agus dlús fuinnimh cadhnraí sa todhchaí.

 

D'fhéadfadh cadhnraí a bheith mar thoradh ar thaighde nua ag innealtóirí ag MIT agus in áiteanna eile ar féidir leo níos mó cumhachta a phacáil in aghaidh an phunt agus a mhairfidh níos faide, bunaithe ar an sprioc a bhfuiltear ag lorg le fada chun úsáid a bhaint as miotal litiam íon mar cheann de dhá leictreoid na ceallraí, an anóid.

 

Tagann an coincheap leictreoid nua ó shaotharlann Ju Li, Ollamh le hEolaíocht agus Innealtóireacht Núicléach de chuid Battelle Energy Alliance agus ollamh le heolaíocht ábhair agus innealtóireacht. Déantar cur síos air inniu san iris Nature, i bpáipéar a chomhúdar Yuming Chen agus Ziqiang Wang ag MIT, in éineacht le 11 duine eile ag MIT agus i Hong Cong, Florida, agus Texas.

 

Tá an dearadh mar chuid de choincheap chun cadhnraí uile-staid soladacha a fhorbairt, ag dáileadh an glóthach leachtach nó polaiméire a úsáidtear de ghnáth mar ábhar leictrilít idir dhá leictreoid an cheallraí. Ceadaíonn leictrilít iain litiam taisteal ar ais agus amach le linn timthriallta muirir agus urscaoilte na ceallraí, agus d'fhéadfadh leagan uile-soladach a bheith níos sábháilte ná leictrilítí leachtacha, a bhfuil ard-luaineacht acu agus a bhí mar fhoinse pléascanna i gcadhnraí litiam.

 

“Tá go leor oibre déanta ar chadhnraí soladach-stáit, le leictreoidí miotail litiam agus leictrilítí soladacha,” a deir Li, ach tá na hiarrachtaí seo tar éis dul i ngleic le roinnt saincheisteanna.

 

Ceann de na fadhbanna is mó ná nuair a ghearrtar an ceallraí suas, carnann adaimh taobh istigh den mhiotal litiam, rud a fhágann go leathnaíonn sé. Laghdaíonn an miotail ansin arís le linn urscaoilte, mar a úsáidtear an ceallraí. De bharr na n-athruithe arís agus arís eile ar thoisí an mhiotail, cosúil le próiseas an ionanálú agus an easanála, bíonn sé deacair do na solaid teagmháil sheasta a choinneáil, agus de ghnáth déanann siad an leictrilít soladach a bhriseadh nó a dhícheangal.

 

Fadhb eile is ea nach bhfuil aon cheann de na leictrilítí soladacha atá beartaithe fíor-chobhsaí go ceimiceach agus iad i dteagmháil leis an miotal litiam ard-imoibríoch, agus is gnách go ndíghrádaíonn siad le himeacht ama.

 

Dhírigh an chuid is mó de na hiarrachtaí chun na fadhbanna seo a shárú ar ábhair leictrilít soladach a dhearadh atá go hiomlán cobhsaí i gcoinne miotail litiam, rud a d'fhéadfadh a bheith deacair. Ina áit sin, ghlac Li agus a fhoireann dearadh neamhghnách a úsáideann dhá aicme bhreise de sholaid, ‘seoltóirí measctha ianach-leictreonacha’ (MIEC) agus ‘inslitheoirí leictreoin agus Li-ian’ (ELI), atá fíor-dhíreach. cobhsaí go ceimiceach i dteagmháil le miotail litiam.

 

D'fhorbair na taighdeoirí nanoailtireacht tríthoiseach i bhfoirm sraith meala-mhaith feadáin MIEC heicseagánach, a insileadh go páirteach leis an miotal litiam soladach chun leictreoid amháin den cheallraí a fhoirmiú, ach le spás breise fágtha taobh istigh de gach feadán. Nuair a leathnaíonn an litiam sa phróiseas muirir, sreabhann sé isteach sa spás folamh ar an taobh istigh de na feadáin, ag bogadh cosúil le leacht cé go gcoimeádann sé a struchtúr soladach criostalach. Déanann an sreabhadh seo, atá teoranta go hiomlán taobh istigh den struchtúr meala, an brú a mhaolú ón leathnú de bharr luchtaithe, ach gan athrú ar thoisí seachtracha an leictreoid ná an teorainn idir an leictreoid agus an leictrilít. Feidhmíonn an t-ábhar eile, an ELI, mar cheangail ríthábhachtach meicniúil idir ballaí MIEC agus an ciseal soladach leictrilít.

 

“Dhearamar an struchtúr seo a thugann leictreoidí tríthoiseacha dúinn, cosúil le cíor mheala,” a deir Li. Ligeann na spásanna folúsacha i ngach feadán den struchtúr don litiam “scrios siar” isteach sna feadáin, “agus ar an mbealach sin, ní thógann sé strus chun an leictrilít soladach a scoilteadh. agus an litiam a chrapadh laistigh de na feadáin seo bogann sé isteach agus amach, cosúil le loiní inneall cairr laistigh dá sorcóirí. Toisc go dtógtar na struchtúir seo ag toisí nana-scála (tá na feadáin thart ar 100 go 300 nanaiméadar ar trastomhas, agus na mílte miocrón ar airde), tá an toradh cosúil le “inneall le 10 billiún loine, le miotail litiam mar an sreabhach oibre, â a deir Li.

 

Toisc go bhfuil ballaí na struchtúr seo cosúil le cíor meala déanta as MIEC atá cobhsaí go ceimiceach, ní chailleann an litiam teagmháil leictreach leis an ábhar riamh, a deir Li. Mar sin, is féidir leis an gceallraí soladach iomlán fanacht cobhsaí go meicniúil agus go ceimiceach agus é ag dul trína timthriallta úsáide. Tá an coincheap cruthaithe ag an bhfoireann go turgnamhach, ag cur feiste tástála trí 100 timthriall de mhuirearú agus a urscaoileadh gan aon bhriseadh ar na solaid a tháirgeadh.

 

 

Plátáil miotail inchúlaithe Li agus stripping i bhfeadán carbóin le trastomhas istigh 100nm. Le caoinchead na dtaighdeoirí.

 

Deir Li, cé go bhfuil go leor grúpaí eile ag obair ar cad a thugann siad cadhnraí soladacha, oibríonn an chuid is mó de na córais sin i ndáiríre níos fearr le roinnt leictrilít leachtach measctha leis an ábhar leictrilít soladach. “Ach inár gcás,” a deir sé, “tá sé fíor-dhaingean. Níl leacht ná glóthach de shaghas ar bith ann.â

 

D'fhéadfadh anóidí sábháilte a bheith mar thoradh ar an gcóras nua nach bhfuil ach an ceathrú cuid níos airde ná a gcomhghleacaithe traidisiúnta i gcadhnraí litiam-ian, don mhéid céanna toilleadh stórála. Má dhéantar é a chomhcheangal le coincheapa nua le haghaidh leaganacha éadroma den leictreoid eile, an catóide, d'fhéadfadh laghduithe suntasacha a bheith mar thoradh ar an obair seo ar mheáchan iomlán cadhnraí litiam-ian. Mar shampla, tá súil ag an bhfoireann go bhféadfadh fóin phóca a bheith mar thoradh air a d'fhéadfaí a ghearradh uair amháin gach trí lá, gan na fóin a dhéanamh níos troime nó níos toirtiúla.

 

Chuir foireann eile faoi stiúir Li síos ar choincheap nua amháin maidir le catóide níos éadroime, i bpáipéar a tháinig an mhí seo caite san iris Nature Energy, comh-údar MIT postdoc Zhi Zhu agus mac léinn iarchéime Daiwei Yu. Laghdódh an t-ábhar úsáid nicil agus cóbalt, atá costasach agus tocsaineach agus a úsáidtear i gcatóidí an lae inniu. Níl an chatóid nua ag brath ach ar an méid acmhainne ó na miotail trasdula seo i dtimthriallta ceallraí. Ina áit sin, bheadh ​​​​sé ag brath níos mó ar acmhainn redox ocsaigine, atá i bhfad níos éadroime agus níos flúirseach. Ach sa phróiseas seo éiríonn na hiain ocsaigine níos soghluaiste, rud a fhágann go n-éalaíonn siad ó na cáithníní catóide. D'úsáid na taighdeoirí cóireáil dromchla ardteochta le salann leáite chun ciseal dromchla cosanta a tháirgeadh ar cháithníní ocsaíd miotail-saibhir mangainéise agus litiam, agus mar sin laghdaítear an méid ocsaigine a chailltear go suntasach.

 

Cé go bhfuil an ciseal dromchla an-tanaí, ach idir 5 agus 20 nanaiméadar tiubh ar cháithnín 400 nanaiméadar ar leithead, tugann sé cosaint mhaith don bhunábhar. “Tá sé beagnach cosúil le himdhíonadh,” a deir Li, i gcoinne éifeachtaí millteach caillteanas ocsaigine i gcadhnraí a úsáidtear ag teocht an tseomra. Soláthraíonn na leaganacha láithreacha feabhas 50 faoin gcéad ar a laghad ar an méid fuinnimh is féidir a stóráil ar mheáchan áirithe, le cobhsaíocht rothaíochta i bhfad níos fearr.

 

Níl ach gléasanna beaga saotharlainne tógtha ag an bhfoireann go dtí seo, ach “táim ag súil gur féidir é seo a mhéadú go han-tapa,” a deir Li. Tá na hábhair a theastaíonn, mangainéis den chuid is mó, i bhfad níos saoire ná an nicil nó an cóbalt a úsáideann córais eile, agus mar sin d’fhéadfadh costas chomh beag le cúigiú cuid a bheith ar na catóidí seo agus na leaganacha traidisiúnta.

 

I measc na bhfoirne taighde bhí taighdeoirí ó MIT, Ollscoil Polytechnic Hong Cong, Ollscoil Florida Láir, Ollscoil Texas ag Austin, agus Brookhaven National Laboratories in Upton, Nua-Eabhrac. Thacaigh an Fondúireacht Eolaíochta Náisiúnta leis an obair.