Нанобатареи — это изготовленные батареи , использующие технологию в наномасштабе , частицы, которые измеряются менее 100 нанометров или 10−7 метров . [2] [3] Эти батареи могут быть наноразмерными или могут использовать нанотехнологии в макромасштабной батарее. Наномасштабные батареи могут быть объединены для работы в качестве макробатареи, например, в нанопоровой батарее . [4]
Традиционная технология литий-ионных аккумуляторов использует активные материалы, такие как оксид кобальта или оксид марганца, с частицами размером от 5 до 20 микрометров (5000 и 20000 нанометров – более 100 раз больше наномасштаба). Есть надежда, что наноинженерия улучшит многие недостатки современной технологии аккумуляторов, такие как расширение объема и плотность мощности. [5] [6] [7]
Батарея преобразует химическую энергию в электрическую и состоит из трех основных частей:
Анод и катод имеют два различных химических потенциала, которые зависят от реакций, происходящих на любом из концов. Электролит может быть твердым или жидким, обладающим ионной проводимостью. [7] Граница между электродом и электролитом называется твердоэлектролитной интерфазой (SEI). Подключение цепи через электроды приводит к тому, что химическая энергия, хранящаяся в батарее, преобразуется в электрическую энергию.
Способность батареи хранить заряд зависит от ее плотности энергии и мощности . Важно, чтобы заряд мог сохраняться и чтобы в батарее можно было хранить максимальное количество заряда. Циклирование и расширение объема также являются важными факторами. Хотя существует множество других типов батарей, современная технология батарей основана на технологии интеркаляции литий-ионов из-за ее высокой мощности и плотности энергии, длительного срока службы и отсутствия эффектов памяти. Эти характеристики привели к тому, что литий-ионные батареи стали предпочтительнее других типов батарей. [8] Чтобы улучшить технологию батарей, циклическая способность, а также плотность энергии и мощности должны быть максимизированы, а расширение объема должно быть минимизировано.
Во время интеркаляции лития объем электрода расширяется, вызывая механическую деформацию. Механическая деформация нарушает структурную целостность электрода, вызывая его растрескивание. [5] Наночастицы могут уменьшить величину деформации, оказываемой на материал, когда батарея подвергается циклированию, поскольку объемное расширение, связанное с наночастицами, меньше объемного расширения, связанного с микрочастицами. [5] [6] Небольшое объемное расширение, связанное с наночастицами, также улучшает способность батареи к обратимости: способность батареи проходить множество циклов без потери заряда. [6]
В современных технологиях литий-ионных аккумуляторов скорость диффузии лития низкая. С помощью нанотехнологий можно достичь более высоких скоростей диффузии. Наночастицы требуют более коротких расстояний для транспортировки электронов, что приводит к более высоким скоростям диффузии и более высокой проводимости, что в конечном итоге приводит к большей плотности мощности. [5] [6]
Использование нанотехнологий при производстве аккумуляторов дает следующие преимущества: [9]
Нанотехнологии создают свои собственные проблемы в аккумуляторах:
Было проведено много исследований, касающихся литий-ионных аккумуляторов, чтобы максимально раскрыть их потенциал. Для того, чтобы правильно использовать чистые энергетические ресурсы, такие как солнечная энергия , энергия ветра и приливная энергия , требуются аккумуляторы, способные хранить огромные объемы энергии, используемой в сетевом хранилище энергии . Литий-железо-фосфатные электроды исследуются для потенциального применения в сетевом хранилище энергии. [6]
Электромобили — еще одна технология, требующая усовершенствованных аккумуляторов. [13] В настоящее время аккумуляторы электромобилей требуют длительного времени зарядки, что фактически исключает возможность их использования в электромобилях для дальних поездок. [5]
Анод в литий-ионных аккумуляторах почти всегда графитовый . [8] Графитовые аноды должны повышать свою термическую стабильность и создавать более высокую мощность. [14] Графит и некоторые другие электролиты могут вступать в реакции, которые восстанавливают электролит и создают SEI (твердый электролитный интерфазный слой), эффективно снижая потенциал аккумулятора. В настоящее время в SEI изучаются нанопокрытия, чтобы остановить эти реакции. [8]
В литий-ионных аккумуляторах SEI необходим для термостабильности, но препятствует потоку ионов лития от электрода к электролиту. Парк и др. разработали наноразмерное полидопаминовое покрытие, так что SEI больше не мешает электроду; вместо этого SEI взаимодействует с полидопаминовым покрытием. [14]
Графен широко изучался для использования в электрохимических системах, таких как батареи, с момента его первой изоляции в 2004 году. [15] Графен обеспечивает большую площадь поверхности и хорошую проводимость. [16] В современной технологии литий-ионных батарей двумерные сети графита препятствуют плавной интеркаляции ионов лития; ионы лития должны перемещаться вокруг двумерных графитовых листов, чтобы достичь электролита. Это замедляет скорость зарядки батареи. В настоящее время изучаются пористые графеновые материалы для решения этой проблемы. Пористый графен включает либо образование дефектов в двумерном листе, либо создание пористой суперструктуры на основе трехмерного графена. [15]
В качестве анода графен обеспечит пространство для расширения, так что проблема расширения объема не возникнет. 3D-графен показал чрезвычайно высокие скорости извлечения ионов лития, что указывает на высокую обратимую емкость. [15] Кроме того, случайная визуализация «карточного домика», показанная ниже, графенового анода позволит ионам лития храниться не только на внутренней поверхности графена, но и в нанопорах, которые существуют между отдельными слоями графена. [17]
Raccichini et al. также описали недостатки графена и композитов на основе графена. Графен имеет большой необратимый механизм на первом этапе литирования. Поскольку графен имеет большую площадь поверхности, это приведет к большой начальной емкости необратимости. Он предположил, что этот недостаток был настолько большим, что ячейки на основе графена «неосуществимы». [17] Исследования графена в анодах все еще проводятся.
Углеродные нанотрубки использовались в качестве электродов для батарей, использующих интеркаляцию, таких как литий-ионные батареи, в целях повышения емкости. [18]
Оксиды титана являются еще одним анодным материалом, который исследовался для применения в электромобилях и сетевых накопителях энергии. [6] Однако низкие электронные и ионные возможности, а также высокая стоимость оксидов титана доказали, что этот материал неблагоприятен по сравнению с другими анодными материалами. [8]
Также были исследованы аноды на основе кремния, а именно на предмет их более высокой теоретической емкости, чем у графита. [8] [19] Аноды на основе кремния имеют высокую скорость реакции с электролитом, низкую объемную емкость и чрезвычайно большое объемное расширение во время циклирования. [12] Однако недавние работы были проведены для уменьшения объемного расширения в анодах на основе кремния. Создав сферу проводящего углерода вокруг атома кремния, Лю и др. доказали, что это небольшое структурное изменение оставляет достаточно места для расширения и сжатия кремния без оказания механического напряжения на электрод. [12]
Углеродные наноструктуры использовались для увеличения возможностей электродов, а именно катода. [6] [20] [21] В батареях LiSO 2 углеродное наноструктурирование теоретически могло увеличить плотность энергии батареи на 70% по сравнению с текущей технологией литий-ионных батарей. [20] В целом, было обнаружено, что литиевые сплавы имеют более высокую теоретическую плотность энергии, чем ионы лития. [5]
Традиционно LiCoO 2 использовался в качестве катода в литий-ионных аккумуляторах. Первым успешным альтернативным катодом для использования в электромобилях был LiFePO 4 . [8] LiFePO 4 показал повышенную плотность мощности, более длительный срок службы и улучшенную безопасность по сравнению с LiCoO 2 . [8]
Графен может быть использован для улучшения электропроводности катодных материалов. LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 и LiFePO 4 являются широко используемыми катодными материалами в литий-ионных аккумуляторах. Эти катодные материалы обычно смешиваются с другими углеродно-композитными материалами для улучшения их скоростных характеристик. Поскольку графен имеет более высокую электропроводность, чем эти другие углеродно-композитные материалы, такие как технический углерод, графен имеет большую способность улучшать эти катодные материалы больше, чем другие углеродно-композитные добавки. [17]
Piao et al. специально изучали пористый графен по отношению к просто графену. Пористый графен в сочетании с LiFePO 4 имел преимущество перед просто графеном в сочетании с LiFePO 4 для улучшения стабильности цикла. [15] Пористый графен создал хорошие поровые каналы для диффузии ионов лития и предотвратил накопление частиц LiFePO 4. [15]
Raccichini et al. предложили композиты на основе графена в качестве катодов в натрий-ионных батареях . Ионы натрия слишком велики, чтобы поместиться в типичную решетку графита, поэтому графен позволит ионам натрия интеркалировать. Графен также был предложен для устранения некоторых проблем, связанных с литий-серными батареями . Проблемы, связанные с литий-серными батареями, включают растворение промежуточного продукта в электролите, большое объемное расширение и плохую электропроводность. [17] Графен был смешан с серой на катоде в попытке улучшить емкость, стабильность и проводимость этих батарей. [17]
Конверсионные электроды — это электроды, в которых химические ионные связи разрываются и восстанавливаются. Также происходит трансформация кристаллической структуры молекул. [22] В конверсионных электродах три иона лития могут быть размещены на каждый ион металла, тогда как современная технология интеркаляции может разместить только один ион лития на каждый ион металла. [6] Большее соотношение лития к ионам металла указывает на повышенную емкость батареи. Недостатком конверсионных электродов является большой гистерезис напряжения . [22]
Балке и др. стремятся понять механизм интеркаляции для литий-ионных аккумуляторов в наномасштабе. [23] Этот механизм понятен в микромасштабе, но поведение вещества меняется в зависимости от размера материала. Чжу и др. также картируют интеркаляцию ионов лития в наномасштабе с помощью сканирующей зондовой микроскопии . [24]
Математические модели для интеркаляции литиевых батарей были рассчитаны и все еще изучаются. [25] [26] Уиттингем предположил, что не существует единого механизма, с помощью которого ионы лития перемещаются через электролит батареи. Движение зависит от множества факторов, включая, помимо прочего, размер частиц, термодинамическое состояние или метастабильное состояние батареи и то, протекала ли реакция непрерывно. [25] Их экспериментальные данные для LiFePO 4 – FePO 4 предполагают движение ионов Li по криволинейной траектории, а не линейный прямой скачок внутри электролита. [25]
Механизмы интеркаляции были изучены также для поливалентных катионов. Ли и др. изучили и определили правильный механизм интеркаляции для перезаряжаемых цинковых батарей. [27]
Также были проведены исследования по использованию пружин из углеродных нанотрубок в качестве электродов. [28] LiMn 2 O 4 и Li 4 Ti 5 O 12 — это наночастицы, которые использовались в качестве катода и анода соответственно и продемонстрировали способность растягиваться на 300% от своей первоначальной длины. Приложения для растягивающейся электроники включают устройства хранения энергии и солнечные элементы. [28]
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе успешно разработали «чернила из нанотрубок» для производства гибких батарей с использованием методов печатной электроники . [18] Сеть углеродных нанотрубок использовалась в качестве формы электронно-проводящих нанопроводов в катоде цинково-угольной батареи . Используя чернила из нанотрубок, углеродная катодная трубка и компоненты электролита из оксида марганца цинково-угольной батареи могут быть напечатаны в виде различных слоев на поверхности, поверх которых может быть напечатан анодный слой цинковой фольги. Эта технология заменяет коллекторы заряда, такие как металлические листы или пленки, на случайный массив углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки добавляют проводимость. [18] Можно изготавливать тонкие и гибкие батареи толщиной менее миллиметра.
Хотя токи разряда батарей в настоящее время ниже уровня практического использования, нанотрубки в чернилах позволяют проводить заряд более эффективно, чем в обычной батарее, так что технология нанотрубок может привести к улучшению производительности батареи. [29] Подобная технология применима к солнечным элементам , суперконденсаторам , светодиодам и смарт-меткам радиочастотной идентификации (RFID).
Используя наноматериал, Toshiba увеличила площадь поверхности лития и расширила узкое место, что позволило частицам проходить через жидкость и быстрее заряжать аккумулятор. Toshiba заявляет, что она протестировала новый аккумулятор, разрядив и полностью зарядив тысячу раз при 77 °C, и обнаружила, что он потерял всего один процент своей емкости, что свидетельствует о долгом сроке службы аккумулятора. °C Аккумулятор Toshiba имеет толщину 3,8 мм, высоту 62 мм и глубину 35 мм.
Компания A123Systems также разработала коммерческий нанолитий-ионный аккумулятор. Компания A123 Systems утверждает, что их аккумулятор имеет самый широкий температурный диапазон от -30 до +70 °C . Подобно нанобатарее Toshiba, литий-ионные аккумуляторы A123 заряжаются до «высокой емкости» за пять минут. Безопасность — ключевая особенность, рекламируемая технологией A123, с видео на их веб-сайте с тестом на забивание гвоздя, в котором гвоздь вбивается в традиционный литий-ионный аккумулятор и литий-ионный аккумулятор A123, где традиционный аккумулятор вспыхивает и пузырится на одном конце, аккумулятор A123 просто испускает струйку дыма в месте проникновения. Теплопроводность — еще один аргумент в пользу аккумулятора A123, при этом утверждается, что аккумулятор A123 обеспечивает в 4 раза более высокую теплопроводность, чем обычные цилиндрические литий-ионные элементы. Нанотехнология, которую они используют, — это запатентованная нанофосфатная технология.
Также на рынке присутствует Valence Technology , Inc. Технология, которую они продают, — это технология Saphion Li-ion. Как и A123, они используют технологию нанофосфата и другие активные материалы, чем традиционные литий-ионные батареи.
AltairNano также разработала нанобатарею с одноминутной перезарядкой. Прогресс, который, по словам Altair, был достигнут, заключается в оптимизации наноструктурированного оксида шпинели титаната лития (LTO).
US Photonics находится в процессе разработки нанобатареи, использующей « экологически чистые » наноматериалы как для анода, так и для катода, а также массивы отдельных наноразмерных контейнеров ячеек для твердого полимерного электролита. US Photonics получила грант Национального научного фонда SBIR фазы I на разработку технологии нанобатарей.
В 1991 году была произведена первая литий-ионная батарея на основе кобальта. С момента создания этой первой литий-ионной батареи компания Sony продолжает исследования в области нанобатарей.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )