Ուսումնասիրությունը հայտնաբերել է մարտկոցներ պատրաստելու միջոց, որոնք մենք օգտագործում ենք ամեն օր՝ ավելի դիմացկուն, հզոր և անվտանգ լինելու համար:
2018 թվականն է, և մեր առօրյան այժմ սնվում է տարբեր գաջեթներով, որոնք կամ աշխատում են էլեկտրականություն կամ մարտկոցների վրա: Մարտկոցով աշխատող գաջեթների և սարքերի վրա մեր կախվածությունը ֆենոմենալ աճում է: Ա մարտկոց մի սարք է, որը պահպանում է քիմիական էներգիան, որը վերածվում է էլեկտրականության: Մարտկոցները նման են մինի քիմիական ռեակտորների, որոնք արձագանքում են էներգիայի լեցուն էլեկտրոններով, որոնք հոսում են արտաքին սարքի միջով: Անկախ նրանից, թե բջջային հեռախոսները, թե նոութբուքերը, թե նույնիսկ էլեկտրական մեքենաները, մարտկոցները, հիմնականում լիթիում-իոնները, այս տեխնոլոգիաների էներգիայի հիմնական աղբյուրն են: Քանի որ տեխնոլոգիան շարունակում է զարգանալ, ավելի կոմպակտ, բարձր հզորությամբ և անվտանգ վերալիցքավորվող մարտկոցների շարունակական պահանջարկ կա:
Մարտկոցները երկար ու փառավոր պատմություն ունեն: Ամերիկացի գիտնական Բենջամին Ֆրանկլինն առաջին անգամ օգտագործել է «մարտկոց» տերմինը 1749 թվականին՝ էլեկտրականության հետ կապված փորձեր կատարելիս՝ օգտագործելով միացված կոնդենսատորների հավաքածու: Իտալացի ֆիզիկոս Ալեսանդրո Վոլտան հայտնագործեց առաջին մարտկոցը 1800 թվականին, երբ պղնձի (Cu) և ցինկի (Zn) սկավառակները բաժանվեցին աղի ջրի մեջ թաթախված կտորով: Կապարի թթվային մարտկոցը, որը ամենակայուն և ամենահին վերալիցքավորվող մարտկոցներից մեկն է, հայտնագործվել է 1859 թվականին և մինչ օրս օգտագործվում է բազմաթիվ սարքերում, ներառյալ մեքենաների ներքին այրման շարժիչը:
Մարտկոցները երկար ճանապարհ են անցել, և այսօր դրանք տարբեր չափերի են՝ մեծ մեգավատից, ուստի տեսականորեն դրանք կարող են էներգիա կուտակել արևային տնտեսություններից և լուսավորել մինի քաղաքները կամ կարող են լինել նույնքան փոքր, որքան էլեկտրոնային ժամացույցներում օգտագործվողները։ , հրաշալի չէ։ Այն, ինչ կոչվում է առաջնային մարտկոց, ռեակցիան, որն առաջացնում է էլեկտրոնների հոսք, անշրջելի է և, ի վերջո, երբ դրա ռեակտիվներից մեկը սպառվում է, մարտկոցը դառնում է տափակ կամ մեռնում: Ամենատարածված առաջնային մարտկոցը ցինկ-ածխածնային մարտկոցն է: Այս առաջնային մարտկոցները մեծ խնդիր էին, և այդպիսի մարտկոցների հեռացման հետ կապված միակ միջոցը գտնելն էր մի մեթոդ, որով դրանք կարող էին նորից օգտագործվել, ինչը նշանակում է, որ դրանք վերալիցքավորվող դարձնելը: Մարտկոցների փոխարինումը նորով ակնհայտորեն անիրագործելի էր, և այդպիսով մարտկոցները ավելի շատացան հզոր և մեծ, կողքից անհնար դարձավ չասել բավականին թանկ դրանց փոխարինումն ու տնօրինումը։
Նիկել-կադմիումային մարտկոցը (NiCd) առաջին հայտնի վերալիցքավորվող մարտկոցն էր, որն օգտագործում էր ալկալի որպես էլեկտրոլիտ: 1989 թվականին ստեղծվեցին նիկել-մետաղական ջրածնային մարտկոցներ (NiMH), որոնք ունեն ավելի երկար կյանք, քան NiCd մարտկոցները: Այնուամենայնիվ, նրանք ունեին որոշ թերություններ, հիմնականում այն էր, որ նրանք շատ զգայուն էին գերլիցքավորման և գերտաքացման նկատմամբ, հատկապես, երբ դրանք գանձվում էին, ասենք, իրենց առավելագույն դրույքաչափով: Հետևաբար, դրանք պետք է լիցքավորվեին դանդաղ և զգույշ՝ վնասից խուսափելու համար, և ավելի երկար ժամանակ պահանջվեց ավելի պարզ լիցքավորիչներով լիցքավորելու համար:
1980 թվականին հայտնագործված լիթիում-իոնային մարտկոցները (LIB) սպառողների մեջ ամենատարածված մարտկոցներն են։ էլեկտրոնային սարքեր այսօր: Լիթիումը ամենաթեթև տարրերից է և ունի ամենամեծ էլեկտրաքիմիական պոտենցիալներից մեկը, հետևաբար այս համադրությունը իդեալականորեն հարմար է մարտկոցներ պատրաստելու համար: LIB-ներում լիթիումի իոնները շարժվում են տարբեր էլեկտրոդների միջև էլեկտրոլիտի միջոցով, որը պատրաստված է աղից և օրգանական լուծիչներ (ավանդական LIB-ների մեծ մասում): Տեսականորեն, լիթիում մետաղը ամենաէլեկտրապես դրական մետաղն է, որն ունի շատ բարձր հզորություն և լավագույն հնարավոր ընտրությունն է մարտկոցների համար: Երբ LIB-ները թերլիցքավորվում են, դրական լիցքավորված լիթիումի իոնը վերածվում է լիթիումի մետաղի: Այսպիսով, LIB-ներն ամենահայտնի վերալիցքավորվող մարտկոցներն են, որոնք օգտագործվում են բոլոր տեսակի շարժական սարքերում՝ իրենց երկար կյանքի և բարձր հզորության շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, մեկ հիմնական խնդիրն այն է, որ էլեկտրոլիտը կարող է հեշտությամբ գոլորշիանալ՝ առաջացնելով մարտկոցի կարճ միացում և դա կարող է հրդեհի վտանգ լինել: Գործնականում LIB-ներն իսկապես անկայուն են և անարդյունավետ, քանի որ ժամանակի ընթացքում լիթիումի պարունակությունը դառնում է ոչ միատեսակ: LIB-ներն ունեն նաև ցածր լիցքավորման և լիցքաթափման արագություն, և անվտանգության հետ կապված մտահոգությունները դրանք դարձնում են ոչ կենսունակ շատ բարձր հզորության և բարձր հզորության մեքենաների համար, օրինակ՝ էլեկտրական և հիբրիդային էլեկտրական մեքենաների համար: Հաղորդվել է, որ LIB-ը շատ հազվադեպ դեպքերում ցուցադրում է լավ հզորություն և պահպանման տեմպեր:
Այսպիսով, մարտկոցների աշխարհում ամեն ինչ կատարյալ չէ, քանի որ վերջին տարիներին շատ մարտկոցներ նշվել են որպես վտանգավոր, քանի որ դրանք բռնկվում են, անվստահելի են և երբեմն անարդյունավետ: Աշխարհի գիտնականները ձգտում են ստեղծել մարտկոցներ, որոնք կլինեն փոքր, անվտանգ վերալիցքավորվող, ավելի թեթև, ավելի ճկուն և միևնույն ժամանակ ավելի հզոր: Հետևաբար, ուշադրությունը փոխվել է պինդ վիճակում գտնվող էլեկտրոլիտների վրա՝ որպես պոտենցիալ այլընտրանք: Պահպանելով սա, քանի որ շատ տարբերակներ փորձարկվել են գիտնականների կողմից, սակայն կայունությունն ու մասշտաբայնությունը եղել են հետազոտությունների մեծ մասի խոչընդոտը: Պոլիմերային էլեկտրոլիտները մեծ ներուժ են ցույց տվել, քանի որ դրանք ոչ միայն կայուն են, այլև ճկուն և էժան: Ցավոք, նման պոլիմերային էլեկտրոլիտների հիմնական խնդիրը նրանց վատ հաղորդունակությունն ու մեխանիկական հատկություններն են:
ACS-ում հրապարակված վերջին ուսումնասիրության մեջ Նանո Նամակներ, հետազոտողները ցույց են տվել, որ մարտկոցի անվտանգությունը և նույնիսկ շատ այլ հատկություններ կարող են բարելավվել՝ դրան նանոլարեր ավելացնելով՝ մարտկոցը դարձնելով գերազանց: Չինաստանի Չժեցզյան տեխնոլոգիական համալսարանի Նյութերագիտության և ճարտարագիտության քոլեջի հետազոտողների այս թիմը հիմնվել է իրենց նախորդ հետազոտությունների վրա, որտեղ նրանք պատրաստել են մագնեզիումի բորատային նանոլարեր, որոնք լավ մեխանիկական հատկություններ և հաղորդունակություն են ցուցաբերել: Ընթացիկ ուսումնասիրության ընթացքում նրանք ստուգեցին, թե արդյոք դա ճիշտ կլինի նաև մարտկոցների համար, երբ այդպիսին է նանոլարեր ավելացվում են պինդ վիճակում գտնվող պոլիմերային էլեկտրոլիտին: Պինդ վիճակում գտնվող էլեկտրոլիտը խառնվել է 5, 10, 15 և 20 քաշով մագնեզիումի բորատային նանոլարերի հետ: Երևում է, որ նանոլարերը մեծացնում են պինդ վիճակում գտնվող պոլիմերային էլեկտրոլիտի հաղորդունակությունը, ինչը մարտկոցներն ավելի ամուր և ճկուն է դարձնում, երբ համեմատած ավելի վաղ՝ առանց նանոլարերի: Հաղորդունակության այս աճը պայմանավորված էր էլեկտրոլիտով անցնող և շարժվող իոնների քանակի ավելացմամբ և շատ ավելի արագ տեմպերով: Ամբողջ տեղադրումը նման էր մարտկոցի, բայց ավելացված նանոլարերով: Սա ցույց տվեց աշխատանքի ավելի բարձր տեմպ և ավելացված ցիկլեր՝ համեմատած սովորական մարտկոցների: Կատարվել է նաև դյուրավառության կարևոր թեստ և երևացել է, որ մարտկոցը չի այրվել։ Այսօրվա լայնորեն օգտագործվող շարժական հավելվածները, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները և նոութբուքերը, պետք է թարմացվեն առավելագույն և կոմպակտ կուտակված էներգիայով: Սա ակնհայտորեն մեծացնում է բռնի լիցքաթափման վտանգը և կառավարելի է նման սարքերի համար՝ անհրաժեշտ մարտկոցների փոքր ձևաչափի պատճառով: Բայց քանի որ մարտկոցների ավելի մեծ կիրառությունները նախագծված և փորձված են, անվտանգությունը, ամրությունը և հզորությունը գերագույն նշանակություն են ստանում:
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire միացված բազմաֆունկցիոնալ պինդ վիճակի էլեկտրոլիտներ՝ բարձր իոնային հաղորդունակությամբ, գերազանց մեխանիկական հատկություններով և բոցավառման արդյունավետությամբ: Նանո նամակներ. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
