Nuacht Tionscail

D’fhéadfadh Ceallraí Nua Míbhuntáistí Eochair Cadhnraí Litiam-Aeir a shárú

2021-06-16
TOPICS:
Teicneolaíocht Ceallraí, Eolaíocht Ábhar, Nanaitheolaíocht, Nanaitheicneolaíocht, Núicléach, Coitianta
Le DAVID L. CHANDLER, MIT NEWS IÚIL 26, 2016



I gcoincheap nua do chatóidigh ceallraí, tá cáithníní ar scála nanaiméadar déanta as comhdhúile litiam agus ocsaigine (a léirítear i ndath dearg agus bán) leabaithe i laitíse spúinse (buí) d'ocsaíd cóbalt, a choinníonn seasmhach iad.

Molann innealtóirí ó MIT go bhféadfaí ábhar nua ceallraí litiam-ocsaigine a phacáistiú i gcadhnraí atá an-chosúil le gnáth-chadhnraí séalaithe ach a sholáthraíonn i bhfad níos mó fuinnimh dá meáchan.

Meastar gur teicneolaíochtaí an-geallta iad cadhnraí litiam-aeir do ghluaisteáin leictreacha agus do ghléasanna leictreonacha iniompartha mar gheall ar a n-acmhainneacht aschur ardfhuinnimh a sheachadadh i gcomhréir lena meáchan. Ach tá míbhuntáistí an-dáiríre ag cadhnraí den sórt sin: Cuireann siad cuid mhór den fhuinneamh insteallta amú mar theas agus díghrádaíonn siad go réasúnta tapa. Teastaíonn comhpháirteanna breise costasacha uathu freisin chun gás ocsaigine a phumpáil isteach agus amach, i gcumraíocht cealla oscailte atá an-difriúil ó ghnáth-chadhnraí séalaithe.

Ach geallann athrú nua ar cheimic na ceallraí, a d’fhéadfaí a úsáid i gceallraí traidisiúnta, séalaithe go hiomlán, feidhmíocht theoiriciúil chomhchosúil le cadhnraí litiam-aeir, agus na míbhuntáistí sin go léir á shárú.

Déantar cur síos ar an gcoincheap nua ceallraí, ar a dtugtar ceallraí catóide nanolithia, san iris Nature Energy i bpáipéar le Ju Li, Ollamh le hEolaíocht Núicléach agus Innealtóireacht Battelle Alliance ag MIT; postdoc Zhi Zhu; agus cúigear eile ag MIT, Saotharlann Náisiúnta Argonne, agus Ollscoil Peking sa tSín.

Ceann de na heasnaimh atá ag cadhnraí litiam-aeir, a mhíníonn Li, is ea an neamhréir idir na voltais a bhaineann le cadhnraí a mhuirearú agus a urscaoileadh. Tá voltas aschuir na gcadhnraí níos mó ná 1.2 volta níos ísle ná an voltas a úsáidtear chun iad a mhuirearú, rud a léiríonn caillteanas cumhachta suntasach a thabhaítear i ngach timthriall luchtaithe. “Cuireann tú 30 faoin gcéad den fhuinneamh leictreach amú mar theas luchtaithe. “Is féidir é a dhó i ndáiríre má ghearrann tú ró-thapa é,” a deir sé.

Ag fanacht soladach

Tarraingíonn gnáthchadhnraí litiam-aeir ocsaigin isteach ón aer lasmuigh chun imoibriú ceimiceach le litiam na ceallraí a thiomáint le linn an timthrialla scaoilte, agus scaoiltear an ocsaigin seo arís san atmaisféar le linn an imoibrithe droim ar ais sa timthriall luchtaithe.

Sa leagan nua, tarlaíonn an cineál céanna imoibriúcháin leictriceimiceacha idir litiam agus ocsaigin le linn luchtaithe agus scaoilte, ach tarlaíonn siad gan ligean don ocsaigin filleadh ar fhoirm ghásach riamh. Ina áit sin, fanann an ocsaigin taobh istigh den sholad agus athraíonn sé go díreach idir a thrí stát redox, agus é faoi cheangal i bhfoirm trí chomhdhúil cheimiceacha sholadacha éagsúla, Li2O, Li2O2, agus LiO2, atá measctha le chéile i bhfoirm gloine. Laghdaíonn sé seo an caillteanas voltais ag fachtóir cúig, ó 1.2 volta go 0.24 volta, mar sin ní dhéantar ach 8 faoin gcéad den fhuinneamh leictreach a théamh. “Ciallaíonn sé seo go ngearrtar muirearú níos gasta ar ghluaisteáin, toisc nach lú an imní maidir le sábháilteacht ná baint teasa ón bpacáiste ceallraí, chomh maith le buntáistí éifeachtúlachta fuinnimh,” a deir Li.

Cuidíonn an cur chuige seo le ceist eile a shárú maidir le cadhnraí litiam-aeir: De réir mar a athraíonn an t-imoibriú ceimiceach a bhaineann le muirearú agus scaoileadh ocsaigin idir foirmeacha gásacha agus soladacha, téann an t-ábhar trí athruithe móra toirte a chuireann isteach ar chosáin seolta leictreachais sa struchtúr, ag teorannú go mór a shaolré. .

Is é an rún atá leis an bhfoirmliú nua ná cáithníní lúide a chruthú, ar scála na nanaiméadar (billiúin méadar), ina bhfuil an litiam agus an ocsaigin i bhfoirm gloine, teoranta go docht laistigh de mhaitrís ocsaíd cóbalt. Tagraíonn na taighdeoirí do na cáithníní seo mar nanolithia. San fhoirm seo, is féidir na haistrithe idir LiO2, Li2O2, agus Li2O a dhéanamh go hiomlán taobh istigh den ábhar soladach, a deir sé.

De ghnáth bheadh ​​na cáithníní nanolithia an-éagobhsaí, agus mar sin leabaíonn na taighdeoirí iad laistigh den mhaitrís ocsaíd cóbalt, ábhar cosúil le spúinse le pores nach bhfuil ach cúpla nanaiméadar trasna. Déanann an mhaitrís na cáithníní a chobhsú agus feidhmíonn sí mar chatalaíoch dá gclaochlú.

Míníonn Li, cadhnraí traidisiúnta litiam-aeir, cadhnraí ocsaigine tirim-litiam, mar nach féidir leo taise nó dé-ocsaíd charbóin a láimhseáil, mar sin caithfear iad seo a scrobadh go cúramach ón aer ag teacht isteach a bheathaíonn an cadhnraí. “Teastaíonn córais chúnta mhóra uait chun an dé-ocsaíd charbóin agus an t-uisce a bhaint, agus tá sé an-deacair é seo a dhéanamh.” Ach téann an ceallraí nua, nach gá a tharraingt isteach in aon aer lasmuigh riamh, timpeall ar an gceist seo.

Gan aon ró-mhuirearú

Tá an ceallraí nua cosanta go bunúsach freisin ó ró-mhuirearú, a deir an fhoireann, toisc go bhfuil an t-imoibriú ceimiceach sa chás seo féin-theorannaithe go nádúrtha - nuair a dhéantar ró-mhuirearú air, aistríonn an t-imoibriú go foirm dhifriúil a choisceann tuilleadh gníomhaíochta. “Le gnáth-cheallraí, má dhéanann tú ró-mhuirear air, féadfaidh sé damáiste struchtúrtha dochúlaithe a dhéanamh nó fiú pléascadh,” a deir Li. Ach leis an gceallraí nanolithia, tá an ceallraí ró-mhuirearaithe againn ar feadh 15 lá, go dtí céad oiread a hacmhainne, ach ní dhearnadh aon damáiste ar chor ar bith.â €

I dtástálacha rothaíochta, cuireadh leagan saotharlainne den cheallraí nua trí 120 timthriall scaoilte-luchtaithe, agus léirigh sé caillteanas cumais níos lú ná 2 faoin gcéad, ag tabhairt le fios go bhféadfadh saolré fada úsáideach a bheith ag cadhnraí den sórt sin. Agus toisc go bhféadfaí cadhnraí den sórt sin a shuiteáil agus a oibriú díreach cosúil le gnáth-chadhnraí litiam-ian soladacha, gan aon cheann de na comhpháirteanna cúnta a theastaíonn le haghaidh ceallraí litiam-aeir, d’fhéadfaí iad a oiriúnú go héasca do shuiteálacha atá ann cheana nó do ghnáthdhearaí pacáiste ceallraí do charranna, leictreonaic, nó fiú stóráil cumhachta ar scála greille.

Toisc go bhfuil na catóidí 'ocsaigine comhdhlúthaithe' seo i bhfad níos éadroime ná na gnáth-chatóidigh ceallraí litiam-ian, d’fhéadfadh an dearadh nua an oiread fuinnimh do mheáchan catóide ar leith a stóráil, a deir an fhoireann. Agus tuilleadh mionchoigeartaithe ar an dearadh, a deir Li, d’fhéadfadh na cadhnraí nua an acmhainn sin a dhúbailt arís sa deireadh.

Déantar é seo go léir gan aon chomhpháirteanna nó ábhair daor a chur leis, de réir Li. Is é an carbónáit a úsáideann siad mar an leictrilít leachtach sa cheallraí seo - an cineál is saoire ”de leictrilít, a deir sé. Agus meáchan an chomhpháirt ocsaíd cóbalt níos lú ná 50 faoin gcéad den chomhpháirt nanolithia. Ar an iomlán, tá an córas nua ceallraí “inscálaithe, saor, agus i bhfad níos sábháilte” ná cadhnraí litiam-aeir, a deir Li.

Tá súil ag an bhfoireann bogadh ón gcruthúnas coincheap seo ar scála saotharlainne go fréamhshamhla praiticiúil laistigh de bhliain.

“Is ceannródaíocht bhunaidh é seo, a fhéadfaidh paraidím cadhnraí ocsaigin-bhunaithe a athrú,” a deir Xiulei Ji, ollamh cúnta ceimice in Ollscoil Stáit Oregon, nach raibh baint aige leis an obair seo. “Sa chóras seo, oibríonn leictrilít tráchtála bunaithe ar charbónáit go han-mhaith le heitiltí sárocsaíde tuaslagtha, atá an-suntasach agus b’fhéidir go mbeadh baint aige le heaspa aon O2 gásach sa chóras séalaithe seo. Tá maiseanna gníomhacha uile na catóide le linn na rothaíochta soladach, rud a chruthaíonn ní amháin dlús mór fuinnimh ach comhoiriúnacht leis an mbonneagar déantúsaíochta ceallraí reatha. ”

Áiríodh ar an bhfoireann taighde eolaithe taighde MIT Akihiro Kushima agus Zongyou Yin; Lu Qi ó Ollscoil Peking; agus Khalil Amine agus Jun Lu de Shaotharlann Náisiúnta Argonne in Illinois. Thacaigh an Foras Náisiúnta Eolaíochta agus Roinn Fuinnimh na SA leis an obair.
Foilsiú: Zhi Zhu, et al., “Catóid nanolithia aon-redox do chadhnraí Li-ian, â € Energy Energy 1, Airteagal uimhir: 16111 (2016); doi: 10.1038 / nenergy.2016.111