Πλήρης φόρτιση σε 18 δευτερόλεπτα; ! Μην ανησυχείτε πια μήπως φύγετε από το σπίτι και ξεμείνετε από μπαταρία...

Τα κινητά τηλέφωνα, οι υπολογιστές, τα τάμπλετ κ.λπ. που χρησιμοποιούν μπαταρίες ως πηγές ενέργειας έχουν γίνει μέρος της ζωής μας και όλο και περισσότεροι άνθρωποι αρχίζουν να υποφέρουν από «ηλεκτρικό άγχος», την ίδια στιγμή, η επιταχυνόμενη δημοτικότητα των νέων ενεργειακών οχημάτων έχει έκανε όλο και πιο δύσκολο για τους ανθρώπους να φορτίζουν μεγάλες μπαταρίες - πιο γρήγορα! Φορτίστε την μπαταρία λίγο πιο γρήγορα! Αυτό έγινε κοινή επιθυμία όλων.

Αυτή η επιθυμία μπορεί σύντομα να γίνει πραγματικότητα. Πρόσφατα, η ομάδα του Song Li, καθηγητή στο Εθνικό Εργαστήριο Ακτινοβολίας Συγχρονών στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, ανέπτυξε μια μπαταρία με δυνατότητα γρήγορης φόρτισης.

 

Σήμερα θα μιλήσουμε περισσότερο για αυτήν την έρευνα.

 

Η μπαταρία ιόντων λιθίου είναι μια ευρέως αναγνωρισμένη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας. Με τα πλεονεκτήματα της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και του μεγάλου εύρους θερμοκρασιών λειτουργίας, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν καταλάβει τη συντριπτική πλειοψηφία των εμπορικών μπαταριών. Ωστόσο, ο οργανικός ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται έχει κάποια βλάβη στο ανθρώπινο σώμα και η έλλειψη πόρων λιθίου θα οδηγήσει σε έλλειψη αγοράς μπαταριών στο μέλλον.

 

Η μπαταρία ιόντων ψευδαργύρου, ως νέο ταλέντο στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας, όχι μόνο έχει υψηλή θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα, αλλά διαθέτει και μη τοξικό ηλεκτρολύτη νερού, εξασφαλίζοντας ασφαλή και αποτελεσματική παραγωγή και εφαρμογή. Επιπλέον, οι φθηνοί και άφθονοι πόροι ψευδαργύρου μειώνουν επίσης σημαντικά το κόστος χρήσης μπαταριών, και αναμένεται να γίνει πιθανός αντικαταστάτης των μπαταριών ιόντων λιθίου στο μέλλον.

Παρόλο που υπάρχουν πολλές διαφορές στη χρήση των υλικών, η κατάσταση λειτουργίας των μπαταριών ιόντων ψευδαργύρου και των μπαταριών ιόντων λιθίου στη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης είναι πολύ παρόμοια.

 

Το υλικό καθόδου της μπαταρίας είναι συχνά στρωμένο: κατά τη διαδικασία εκφόρτισης της μπαταρίας, ιόντα λιθίου (ή ιόντα ψευδαργύρου) θα ενσωματωθούν στο στρώμα του υλικού καθόδου για αποθήκευση. Κατά τη διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας, ιόντα λιθίου (ή ιόντα ψευδαργύρου) θα διαφύγουν από το θετικό στρώμα υλικού και θα επιστρέψουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Γενικά, η αρχή λειτουργίας της μπαταρίας είναι μια διαδικασία μετανάστευσης ιόντων και μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Η αρχή της γρήγορης φόρτισης της μπαταρίας

Σε αυτή την επιστημονική έρευνα λοιπόν, πώς επιτυγχάνεται η μπαταρία γρήγορης φόρτισης;

 

1. Διευρύνετε τα κανάλια μεταφοράς ιόντων

 

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων ψευδαργύρου είναι μια διαδικασία συνεχούς μετανάστευσης ιόντων. Εάν θέλετε να αποθηκεύσετε όσο το δυνατόν περισσότερη χωρητικότητα μπαταρίας σε σύντομο χρονικό διάστημα, πρέπει να δημιουργήσετε έναν μεγάλο χώρο αποθήκευσης για ιόντα ψευδαργύρου.

 

Πρώτον, οι ερευνητές εστίασαν σε πολυεπίπεδα υλικά πεντοξειδίου του βαναδίου με ρυθμιζόμενη χωρική δομή. Το πολυστρωματικό υλικό πεντοξειδίου του βαναδίου είναι δομημένο σαν να ήταν διατεταγμένο από πολλαπλές παράλληλες πλάκες. Προκειμένου να αυξηθεί η απόσταση των στρωμάτων του στρωματοποιημένου υλικού καθόδου, μεγαλύτερα ιόντα αμμωνίου μπορούν να προ-παρεναλλάσσονται. Αυτό γίνεται για να προσθέσετε μερικούς πυλώνες μεταξύ αυτών των στρωμάτων εκ των προτέρων για να αυξήσετε την απόσταση των στρωμάτων.

 

Με την υποστήριξη ιόντων αμμωνίου, τα ιόντα ψευδαργύρου μπορούν πιο εύκολα να μεταναστεύσουν στο υλικό του θετικού ηλεκτροδίου και ο μεγαλύτερος χώρος μεταξύ των στρωμάτων μπορεί επίσης να βελτιώσει αποτελεσματικά την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας της μπαταρίας.

 

 

2. Από τη ρύθμιση της τροχιακής κατάληψης στην επιτάχυνση της μεταφοράς ηλεκτρονίων

Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι η διαδικασία αποθήκευσης ενέργειας της μπαταρίας σχετίζεται στενά με τη μετανάστευση ιόντων και τη μεταφορά ηλεκτρονίων. Όταν τα ιόντα ψευδαργύρου εισέρχονται στο στρώμα υλικού καθόδου για αποθήκευση, ορισμένα ηλεκτρόνια θα μεταφερθούν επίσης στο υλικό της καθόδου για να διατηρηθεί η συνολική ισορροπία φορτίου. Ως εκ τούτου, είναι επίσης πολύ σημαντικό να μελετηθεί η επίδραση των παρεμβαλλόμενων ιόντων στην ηλεκτρονική δομή των στρωματοποιημένων υλικών.

 

Ωστόσο, οι συμβατικές μέθοδοι δοκιμών είναι δύσκολο να διερευνηθούν ξεκάθαρα οι εσωτερικές ατομικές και ηλεκτρονικές δομές των υλικών. Ως εκ τούτου, απαιτούνται πιο προηγμένες τεχνικές χαρακτηρισμού ακτινοβολίας σύγχροτρον για την ανίχνευση. Με απλά λόγια, η τεχνολογία ακτινοβολίας σύγχροτρον μπορεί να γίνει κατανοητή ως μια βελτιωμένη έκδοση του «σούπερ μικροσκοπίου», χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά υψηλής φωτεινότητας και ευρείας ζώνης για να δει την εσωτερική δομή της ύλης.

Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές ερεύνησαν τις αλλαγές στην κατοχή ατομικής τροχιάς στο υλικό πενταοξειδίου του βαναδίου μετά την εισαγωγή πυλώνων ιόντων αμμωνίου μεταξύ των στρωμάτων και την αναστρέψιμη εξέλιξη της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης.

 

Εδώ εισάγουμε πρώτα τη βασική έννοια της ηλεκτρονικής δομής.

 

Για στοιχεία με εξωπυρηνικά ηλεκτρόνια, τα ηλεκτρόνια τους δεν είναι σωριασμένα, αλλά διατεταγμένα σε τροχιές. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν πάντα πρώτα τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας, δηλαδή τους πυρήνες στο κέντρο, διατεταγμένους από μέσα προς τα έξω.

 

Για το βανάδιο, η διάταξη ηλεκτρονίων σθένους φαίνεται παρακάτω, με πέντε ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό στρώμα. Στο πεντοξείδιο του βαναδίου, και τα πέντε ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση με άτομα οξυγόνου. Σε αυτό το σημείο, το τρισδιάστατο τροχιακό του βαναδίου είναι το κενό τροχιακό που δεν καταλαμβάνεται από ηλεκτρόνια.

 

 

3. Η διπλή ρύθμιση της κρυσταλλικής δομής και της ηλεκτρονικής δομής κάνει τη γρήγορη φόρτιση και τον σταθερό κύκλο να γίνονται πραγματικότητα

Όταν χρησιμοποιείτε αυτό το νέο υλικό καθόδου, η μπαταρία ιόντων zn επιτυγχάνει χωρητικότητα 101 mAh/g σε πυκνότητα ρεύματος 200 C και η φόρτιση διαρκεί μόνο 18 δευτερόλεπτα. Ταυτόχρονα, ο ηλεκτρολύτης του νερού διασφαλίζει επίσης την ασφάλεια της διαδικασίας κυκλοφορίας και μειώνει τη ρύπανση του περιβάλλοντος.

 

Σε αυτή την εργασία, η απόσταση των στρωμάτων και η τροχιακή κατάσταση κατάληψης των στρωματοποιημένων υλικών σχεδιάζονται και ρυθμίζονται από την κρυσταλλική δομή και την ηλεκτρονική δομή των υλικών. Ταυτόχρονα, σε συνδυασμό με τα προηγμένα μέσα χαρακτηρισμού ακτινοβολίας σύγχροτρον, η εξέλιξη της δομής του υλικού είναι πιο διαισθητική και σαφής, έτσι ώστε το υλικό θετικού ηλεκτροδίου με χαρακτηριστικά γρήγορης φόρτισης να είναι δυνατό.

 

Ίσως στο εγγύς μέλλον, τέτοια υλικά να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρονικά προϊόντα, ακόμη και στα μέσα μαζικής μεταφοράς. Η σημαντική μείωση του χρόνου φόρτισης μπορεί να κάνει τη ζωή των ανθρώπων πιο αποτελεσματική και βολική. Τα ασφαλή και καθαρά υλικά μπαταρίας μπορούν επίσης να μειώσουν την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Πιστέψτε ότι η τεχνολογία θα κάνει αυτή τη μέρα όχι μακριά.