Karbon nanotüpler: daha iyi lityum metal piller yapmaya yardımcı olur!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Rice Üniversitesi'ndeki bilim adamları, sıradan lityum iyon pillerin mantıksal bir ikamesi olarak yüksek performanslı, hızlı şarjlı lityum metal piller oluşturmak için karbon nanotüpler kullanıyorlar.
arka fon
Akıllı telefonlardan dizüstü bilgisayarlara ve elektrikli arabalara kadar neredeyse tüm elektronik cihazlar lityum iyon pillerden ayrılamaz. Bununla birlikte, şu anda lityum iyon pillerle elde edilen gerçek kapasite, teorik kapasitesine yaklaşıyor, ancak bu kapasite hala insanların ihtiyaçlarını karşılayamıyor. Lityum pillerin enerji yoğunluğunu ve kapasitesini iyileştirmek için lityum metal piller büyük ilgi gördü.
Adından da anlaşılacağı gibi, lityum metal piller, pilin negatif elektrotu olarak lityum metal kullanır. Şarj etme ve boşaltma sırasında lityum pilin içindeki iyonlar elektrolitin negatif ve pozitif elektrotlarından ileri geri geçer. Grafit, günümüzün lityum iyon pillerinin negatif elektrotunda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, lityum metal piller, grafiti lityum metal ile değiştirerek daha fazla enerji depolayabilir.
Bununla birlikte, güvenlik sorunları, lityum metal pillerin ticari kullanımını ciddi şekilde engellemiştir. Basitçe ifade edersek, bu problem "lityum dendritler" veya "dendritler" olarak adlandırılan lityum dendritlerdir. Dışarıdan bakıldığında dendritler biraz "küçük dikitler" gibidir. Doğal olarak bataryadaki korumasız lityum metal negatif elektrottan büyür. Zamanla, bu bıyık benzeri dendritler pilin elektrolit çekirdeğini delecek ve sonunda pozitif elektroda ulaşarak pilin kısa devre yapmasına ve hatta alev almasına neden olacaktır. Bu nedenle, lityum metal piller her zaman verimsiz, kararsız ve hatta yangına neden olarak görülmüştür.
Ancak bilim adamları bu sorunu çözmek için çalışıyorlar. Örneğin, yazar bir keresinde, lityum metal pillerde lityum dendrit oluşumunu engellemek için bir yöntem geliştirmek üzere Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Delaware Üniversitesi tarafından yönetilen uluslararası bir bilimsel araştırma ekibini tanıttı.
Dünyanın dört bir yanındaki çeşitli araştırma gruplarının, lityum dendritlerin oluşumunu ve büyümesini engellemek için farklı teknikler denediğini buldular. Bununla birlikte, neredeyse tüm bu teknolojiler "koruyucu şemsiye" denen şeyi uygular: Negatif elektrotta biriken lityum dendritlerin büyümesini engellemek için sisteme bir gözenekli malzeme katmanı eklenir. Araştırma ekibi, bir veri modeli kullanarak, gözenekli materyallerin dendrit oluşumunu ve büyümesini engelleyebileceğini buldu. Bu teknoloji ile oluşan dendritler, gözenekli membransız sistemlerde oluşanlardan% 75 daha kısadır.
(Fotoğraf kredisi: Joy Smoker / Delaware Üniversitesi)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Rice Üniversitesi kimyager James Tour'un laboratuvarı, "dendrit" oluşumunu etkili bir şekilde önleyebilen ultra ince bir nanotüp film gösterdi. Sıradan lityum iyon pillerin mantıksal ikamesi olarak yüksek performanslı, hızlı şarjlı lityum metal piller oluşturmak için karbon nanotüpler kullanırlar.
Aşağıdaki şekil şunları göstermektedir: 500 şarj-deşarj döngüsü testinden sonra lityum metal negatif elektrodun mikroskobik görüntüsü. Soldaki modelde, Rice Üniversitesi, negatif elektrot üzerindeki kristal dalların büyümesinin, karbon nanotüp filmin korunmasıyla bastırıldığını gösterdi. Bununla birlikte, sağdaki desende, korumasız lityum metal negatif elektrot, kristal dal büyümesi belirtileri gösteriyor.
(Resim kaynağı: Turun araştırma ekibi)
Tour, "Lityum iyon pillerde kristal dal oluşumunu yavaşlatmanın bir yolu şarj hızlarını sınırlamaktır. Ancak insanlar bundan hoşlanmıyor. Daha hızlı şarj etmek istiyorlar."
Rice Üniversitesi ekibinin yöntemi, Advanced Materials dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak açıklandı. Tour, bu yöntemin dendrit büyümesini önlemek için basit, ucuz ve verimli olabileceğini belirtti.
Soldaki resimde gösterildiği gibi: Rice Üniversitesi kimyacısı James Tour, ortada: yüksek lisans öğrencisi Gladys López-Silv, sağda: doktora sonrası araştırmacı Rodrigo Salvatierra, lityum metal pillerdeki kristal dalların büyümesini engellemek için karbon nanotüpler kullanıyor. Bu lityum metal pil, mevcut lityum iyon pillerden daha hızlı şarj olur ve daha fazla enerji içerir.
(Resim kaynağı: Jeff Fitlow)
teknoloji
Dedi ki: "Yaptığımız şey çok basit. Sadece lityum metal levhayı çok duvarlı bir karbon nanotüp filmle kaplamanız gerekiyor. Lityum nanotüp filme nüfuz ediyor ve film siyahtan kırmızıya dönüyor ve buna göre lityum iyonları yayıyor. . "
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: Rice Üniversitesi bilim adamları, çok duvarlı karbon nanotüp filmlerin lityum metal bazlı pillerde kristal dalların büyümesini engelleyebileceğini keşfettiler.
(Resim kaynağı: Turun araştırma ekibi)
Aşağıda resmedilen: Rice Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Gladys López-Silva, ince bir karbon nanotüp filmiyle bir lityum metal katodu tutuyor. Film yapıştırıldıktan sonra lityum iyonları tarafından nüfuz edecek ve kırmızıya dönecektir.
(Resim kaynağı: Jeff Fitlow)
Rice Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı ve yüksek lisans öğrencisi Gladys López-Silva ile birlikte makalenin baş yazarı Rodrigo Salvatierra şunları söyledi: "Lityum metalin fiziksel teması nanotüp filmi zayıflatır, ancak lityum iyonları ekleyerek dengeler. İyonlar nanotüp film yoluyla dağıtılır. Gel."
Pil kullanıldığında, film depolanan iyonları boşaltır ve altındaki lityum negatif elektrot yeniden doldurulur, böylece filmin kristal dalların büyümesini önleme yeteneği korunur.
Aşağıdaki şekil, Rice Üniversitesi tarafından geliştirilen lityum metal katotun karbon nanotüp film yoluyla kristal dalların oluşumunu nasıl bastırdığını göstermektedir.
(Resim kaynağı: Turun araştırma ekibi)
değer
Önceki deneylerde laboratuvar tarafından geliştirilen karbon sülfid anot ile birleştirilen bu dolaşık nanotüp film, test pilinin 580 şarj ve deşarj döngüsünü kapsayabilir ve kristal dalların büyümesini etkili bir şekilde önleyebilir. Araştırmacılar, tüm lityum metal pillerin, elektrokimyasal bir sistemde elektronların ne kadar iyi hareket ettiğini açıklayan% 99,8'lik bir kulombik verimliliği koruduğunu bildirdi.
Anahtar kelime
Pil, karbon nanotüp, lityum
Referans
[1]
[2]
