Potpuno punjenje za 18 sekundi? ! Nema više brige o izlasku iz kuće i ispraznivanju baterije...

Mobilni telefoni, kompjuteri, tableti itd. koji koriste baterije kao izvore energije postali su dio naših života, a sve više ljudi počinje da pati od "treme oko struje", u isto vrijeme sve veća popularnost vozila na novu energiju otežavalo je ljudima punjenje dugih baterija - brže! Napunite bateriju malo brže! Ovo je postala zajednička želja svih.

Ta želja bi se uskoro mogla ostvariti. Nedavno je tim Song Lija, profesora u Nacionalnoj laboratoriji za sinhrotronsko zračenje na Univerzitetu nauke i tehnologije Kine, razvio bateriju sa mogućnošću brzog punjenja.

 

Danas ćemo govoriti više o ovom istraživanju.

 

Litijum-jonska baterija je opštepriznat uređaj za skladištenje energije. Uz prednosti visoke gustine energije i širokog raspona radnih temperatura, litijum-jonske baterije zauzimaju veliku većinu komercijalnih baterija. Međutim, organski elektrolit koji se koristi ima određenu štetu za ljudsko tijelo, a nedostatak resursa litijuma dovest će do nestašice tržišta baterija u budućnosti.

 

Cink-jonska baterija, kao novi talenat u polju skladištenja energije, ne samo da ima visoku teorijsku gustoću energije, već ima i netoksični vodeni elektrolit, koji osigurava sigurnu i efikasnu proizvodnju i primjenu. Osim toga, jeftini i bogati resursi cinka također uvelike smanjuju troškove korištenja baterija, a očekuje se da će u budućnosti postati potencijalna zamjena za litijum-jonske baterije.

Iako postoje mnoge razlike u upotrebi materijala, radno stanje cink-jonskih baterija i litijum-jonskih baterija u procesu punjenja i pražnjenja je vrlo slično.

 

Katodni materijal baterije je često slojevit: tokom procesa pražnjenja baterije, litijum joni (ili ioni cinka) će biti ugrađeni u sloj katodnog materijala radi skladištenja; Tokom procesa punjenja baterije, litijum joni (ili ioni cinka) će izaći iz pozitivnog sloja materijala i vratiti se na negativnu elektrodu.

Općenito, princip rada baterije je proces migracije jona i prijenosa elektrona.

Princip brzog punjenja baterije

Dakle, u ovom naučnom istraživanju, kako se postiže baterija za brzo punjenje?

 

1. Proširiti kanale za transport jona

 

Kao što je već spomenuto, proces punjenja i pražnjenja cink-jonskih baterija je proces kontinuirane migracije jona. Ako želite pohraniti što je moguće više kapaciteta baterije u kratkom vremenskom periodu, morate stvoriti veliki prostor za skladištenje jona cinka.

 

Prvo, istraživači su se fokusirali na slojevite materijale vanadij pentoksida sa prilagodljivom prostornom strukturom. Slojeviti materijal vanadij pentoksida strukturiran je kao da je raspoređen s više paralelnih ploča. Kako bi se povećao razmak slojeva slojevitog katodnog materijala, veći amonijum ioni se mogu prethodno interkalirati. Ovo je dodavanje nekih stubova između ovih slojeva unapred kako bi se povećao razmak između slojeva.

 

Uz podršku amonijum jona, joni cinka mogu lakše migrirati u materijal pozitivne elektrode, a veći međuslojni prostor takođe može efikasno poboljšati kapacitet skladištenja energije baterije.

 

 

2. Od prilagođavanja zauzetosti orbite do ubrzanja prijenosa elektrona

Važno je znati da je proces skladištenja energije baterije usko povezan s migracijom jona i prijenosom elektrona. Kada ioni cinka uđu u sloj katodnog materijala radi skladištenja, neki elektroni će se također prenijeti na materijal katode kako bi se održala ukupna ravnoteža naboja. Stoga je vrlo važno proučavati i utjecaj interkaliranih jona na elektronsku strukturu slojevitih materijala.

 

Međutim, konvencionalnim metodama testiranja teško je jasno istražiti unutrašnje atomske i elektronske strukture materijala. Stoga su za detekciju potrebne naprednije tehnike karakterizacije sinhrotronskog zračenja. Jednostavno rečeno, tehnologija sinhrotronskog zračenja može se shvatiti kao poboljšana verzija "super mikroskopa", koristeći svoju visoku svjetlinu i širokopojasne karakteristike za uvid u unutrašnju strukturu materije.

Koristeći ovu tehniku, istraživači su istraživali promjene zauzetosti atomske orbite u materijalu vanadij pentaoksida nakon umetanja stubova amonijum jona između slojeva i reverzibilnog razvoja procesa punjenja i pražnjenja.

 

Ovdje prvo uvodimo osnovni koncept elektronske strukture.

 

Za elemente sa ekstranuklearnim elektronima, njihovi elektroni nisu pretrpani, već raspoređeni u orbitama. Štaviše, elektroni uvijek prvo zauzimaju orbitale niže energije, odnosno jezgre u centru, raspoređene iznutra prema van.

 

Za vanadijum, njegov raspored valentnih elektrona je prikazan ispod, sa pet valentnih elektrona u spoljašnjem sloju. U vanadijum pentoksidu, svih pet elektrona se koristi za vezu sa atomima kiseonika. U ovom trenutku, 3d orbitala vanadijuma je prazna orbita koja nije zauzeta elektronima.

 

 

3. Dvostruka regulacija kristalne strukture i elektronske strukture omogućava brzo punjenje i stabilan ciklus u stvarnost

Kada se koristi ovaj novi katodni materijal, zn-jonska baterija postiže kapacitet od 101mAh/g pri gustoći struje od 200C, a punjenje traje samo 18s. Istovremeno, vodeni elektrolit osigurava sigurnost procesa cirkulacije i smanjuje zagađenje okoliša.

 

U ovom radu, razmak slojeva i orbitalno stanje zauzetosti slojevitih materijala su dizajnirani i regulirani iz kristalne strukture i elektronske strukture materijala. Istovremeno, u kombinaciji sa naprednim sredstvima za karakterizaciju sinhrotronskog zračenja, evolucija strukture materijala je intuitivnija i jasnija, tako da je moguć materijal pozitivne elektrode sa karakteristikama brzog punjenja.

 

Možda će se u bliskoj budućnosti takvi materijali moći koristiti u elektroničkim proizvodima, pa čak iu javnom prijevozu. Značajno smanjenje vremena punjenja može učiniti živote ljudi efikasnijim i praktičnijim; Sigurni i čisti materijali za baterije također mogu smanjiti opterećenje okoliša. Vjerujte da će tehnologija učiniti da taj dan nije daleko.