به تازگی، یک پیشرفت تحقیقاتی مهم تا حد زیادی از دانشگاه ایلینوی در شیکاگو (دانشگاه ایلینوی در شیکاگو، UIC)، آزمایشگاه ملی آرگون (آزمایشگاه ملی آرگون) و دانشگاه ایالتی کالیفرنیا شمالی الهام زمینه ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی یکی یک تیم پژوهشی علمی مشترک در دانشگاه ایالت کالیفرنیا (Northridge) مقاله ای در مجله طبیعت منتشر کرد -
از آن ساخته شده موفقیت را می توان بیش از 700 بار باتری های لیتیوم هوا مشابه، باتری های لیتیوم هوا قبل از شکستن تنها با استفاده از اکسیژن خالص، و چرخه زندگی کوتاه محدودیت قابل استفاده مجدد در اتمسفر هوا، اجازه دهید مردم این است انرژی نظری بسیار بالا باتری باتری جایگزین یون لیتیوم موجود می شود و توان بالقوه تنگنای مسافت پیموده شده خودرو را از بین می برد.
باتری های لیتیوم هوا چیست؟ باتری های لیتیوم هوا و باتری های لیتیوم یون چه تفاوت؟ چرا باتری لیتیوم-هوا از این دستیابی به موفقیت بسیار مهم است. این برای اولین بار از چگالی انرژی باتری یون لیتیوم است چرا بحث زیاد نیست.
باتری یون لیتیوم که تا بحال موفق ترین باتری قابل شارژ می باشد. این است که به نام "باتری لیتیوم یون"، چرا که در باتری، آیا متهم و یا تخلیه، یونهای لیتیوم هستند (لی +) عقب و جلو بین دو الکترود به شکل یک یون لیتیوم فعلی نیاز سطح الکترود آن تعبیه شده می رسد، و لازم است به ترک 'deintercalating، برای اطمینان از خوب "جاسازی شده - deintercalation. واکنش، آند از باتری لیتیوم یون است که معمولا گرافیت و کاتد به طور کلی از یک ترکیب از لیتیوم. به عنوان مثال، در حال حاضر محبوب ترین در کاتد، سه یوان لیتیوم "باتری، علاوه بر عناصر لیتیوم، بلکه نیکل، کبالت، منگنز سه فلز عناصر تشکیل دهنده ترکیب نانل-کبالت-منگنز منگنز (LiNi 0.3شرکت 0.3Mn 0.3O2)، و نیکل، کبالت و منگنز بسیار سنگین تر از لیتیوم هستند.
بنابراین، یک باتری لیتیوم یون، اگر چه تنها یک بار شارژ جرم اتمی نسبی فقط یونهای لیتیوم. 3 (یک جرم اتمی نسبی یک جرم اتمی یک دوازدهم کربن) می توانید 1 واحد حمل، اما دارای یک کاتد یک ترکیب لیتیوم تشکیل نیاز نیاز بسیار سنگین تر از نیکل، کبالت، منگنز، آهن، فسفر، اتم های کربن به 'ذخیره سازی یک یون لیتیوم است. این نتایج در یک بار مثبت به واحد، آن را تنها در کاتد 1 ارائه از جرم مولکولی نسبی از 100 ممکن است نزدیک به غول 'به علاوه وزن آند و سایر مواد و سازه ها، با چگالی انرژی در باتری های یون لیتیوم همیشه بالا برود. این است که چرا، نیم تن حمل باتری لیتیوم یون ماشین الکتریکی، مسافت پیموده شده به مراتب کمتر از تنها دلیل علاوه بر این از ده ها تن از لیتر بنزین ماشین معمولی.
ادامه شو در یک باتری لیتیوم یون، به منظور پایدار، مسکن، حامل یک بار لیتیوم یون (توپ خاکستری در طراحی)، تعداد زیادی از دیگر مشارکت سازه، مانند یک ترکیب لیتیوم (آبی، قرمز ساختار سه بعدی) و گرافیت ( ساختار قرمز لایه لایه)، جرم اتمی نسبی این عناصر بسیار بزرگتر از لیتیوم، و در نتیجه چگالی انرژی باتری لیتیوم یون است که همیشه محدود. در باتری های لیتیوم هوا ایده آل، همه این عناصر لازم نیست، تنها فلز لیتیم و اکسیژن از هوا می!
باتری لیتیوم هوا متفاوت است. باتری های لیتیوم و لیتیوم یون نیاز به انجام ترکیبات مختلف و الکترود گرافیت، یک باتری لیتیوم-هوا را می توان به طور مستقیم لیتیوم فلزی عنصری (لی) و اکسیژن موجود در هوا استفاده می شود (O 2) به عنوان یک الکترود. در بهترین حالت، باتری تخلیه شده است، پراکسید لیتیوم تولید شده از اکسید اکسیژن لیتیوم عنصری (لی 2O2)، تولید یک جریان در مدار خارجی، پس از آن به سمت لیتیوم قابل شارژ پراکسید لیتیوم و اکسیژن شکسته زمانی که کل فرایند بدون یک توده بزرگ از عناصر دیگر است، و کاتد ممکن است به طور مستقیم استفاده و یا حتی وزن ناچیز و هزینه به استثنای هوا.
چگالی انرژی بنابراین، باتری لیتیوم-هوا می توان متوجه شد از باتری لیتیوم یون بسیار بالاتر است. در واقع، از لیتیم، سبکترین از جدول تناوبی عنصر فلز جرم اتمی نسبی است، در حالی که اکسیژن را از هوا، باتری لیتیوم هوا تا به یک قدرت شیمیایی سلول بالاترین چگالی انرژی نظری - به عبارت دیگر جرم انرژی در واحد از باتری های لیتیوم هوا می تواند ذخیره و آزاد، به غیر از همه رسانه ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی متعدد.
غیر مایع لیتیوم - چگالی انرژی نظری باتری هوا تا 12kWh / کیلوگرم، 5 تا 10 برابر باتری های لیتیوم یون معمولی، بنزین تقریبا در مورد 13kWh / کیلوگرم اگر باتری های لیتیوم هوا مقایسه تواند در نهایت به بازار است. خودروهای الکتریکی و بنزینی نیز به همان سطح از مسافت پیموده شده را داشته باشد، مسافت پیموده شده به طور کامل شکستن تنگنا با توجه به چگالی انرژی باتری یون لیتیوم بسیار پایین و علت است، برای توسعه آینده از انرژی پاک دارای اهمیت مهم.
با این حال، این تجزیه و تحلیل نظری، بالا است. آیا می خواهید برای رسیدن به این وضعیت ایده آل است، اما این چیزی که آسان نیست.
پیش از این، کاتد هوا ممکن است به عنوان یک باتری لیتیوم-هوا شناخته شده است، اما همه در محیط اکسیژن خالص تکیه می کنند. دلیل این است که، علاوه بر اکسیژن، هوا، نیتروژن، دی اکسید کربن، بخار آب خواهد شد در واکنش درگیر، به طوری که این روند بسیار می شود پیچیده است. آند اکسید لیتیم، کاتد، و واکنش بین یون لیتیوم و دی اکسید کربن و بخار آب در هوا ناخواسته توسط محصولات تولید کند.
از آنجا که الکترود، یک الکترولیت در سایر واکنش های شیمیایی و خواص شیمیایی فلز لیتیم و اکسیژن فعال تر هستند، چرخه عمر یک باتری لیتیوم هوا است بسیار کوتاه بوده است. علاوه بر این، اکسیژن در هوای محیط نیاز به استفاده از لیتیوم باید با ابزار ذخیره سازی اکسیژن مجهز شود، به عنوان مثال یک سیلندر اکسیژن بزرگ، که اجازه می دهد تا یک باتری لیتیوم هوا چگالی انرژی به طور مستقیم بالا اکسیژن بزرگ و سنگین صاف مخزن است، و ظرفیت باتری نیز به ظرفیت بطری اکسیژن بستگی دارد. علاوه بر این، اگر شما می خواهید الکتریکی استفاده از باتری لیتیوم-هوا، پس از آن ماشین، علاوه بر افزایش قابل توجهی در وزن بطری اکسیژن، بلکه خطر امنیتی بیشتری.
در واقع، اگر نه به خاطر موانع فوق، یک باتری لیتیوم یون است نه دور با استفاده از یک الکترود پیچیده ای از باتری های لیتیوم هوا به عنوان یک الکترود می توانید با توجه به استفاده مستقیم از لیتیوم فلزی ماده ساده در هوا به دست آمده به طور مستقیم اکسیژن مورد نیاز، برخی از دانشمندان حتی در دسترس نباشد باتری هوا لیتیوم باتری لیتیوم اکسیژن نامیده می شود.
پس از سال ها از توسعه، این مسائل بوده است مانند یک ابر تاریک بیش از باتری های لیتیوم هوا معلق بود، به ذکر باتری های لیتیوم یون به بازار و رقابت نیست. تا دانشگاه ایلینوی در شیکاگو، آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه شمال ایالت کالیفرنیا پیشرفت دانشکده لین، به این عملکرد عالی که فقط در تئوری وجود دارد، روشنایی امیدوار کننده ای را به ارمغان می آورد.
برای حل لیتیوم - باتری هوا نقص کشنده، لازم است برای پیدا کردن یک راه برای جلوگیری از مواد شیمیایی مختلف موجود در هوا - نیتروژن، دی اکسید کربن، بخار آب و مواد دیگر درگیر در این واکنش های جانبی دارند واکنش های جانبی الکترود، یونهای لیتیوم و یک الکترولیت . ضربه، تولید محصولات جانبی ناخواسته محققان رسیدگی به این موضوع، استفاده از شبیه سازی کامپیوتری روش (تراکم کاربردی تجزیه و تحلیل) و مطالعات تجربی انجام شده در عمق پژوهش، و در نهایت، آنها پاسخ پیدا شده است: در الکترود لیتیوم فلزی یک لایه محافظتی اضافه کنید
هسته این فن آوری این است که در آند، آنها یک لایه کربنات لیتیم / کربن (LiCO 3/ C) ترکیب پوشش محافظتی متراکم.
و فرآیند پوشش بسیار ساده است: 10 چرخه شارژ به طور مستقیم از فلز لیتیم با دی اکسید کربن توسط یک واکنش شیمیایی در سطح الکترود، جلوگیری از کربنات لیتیم را می توان غیر از یونهای لیتیوم به ترکیب به پایان رسید، در نتیجه محافظت از آند نمی کند. توسط قطعات به غیر از گروه اکسیژن در آسیب هوا در حالی که در جو، و کربنات لیتیوم کند خود به خود واکنش با بخار آب و هوا، به طوری که لایه محافظ ممکن است در واکنش شیمیایی از باتری شرکت نمی کنند، نمی از بین می رود. در پوشش های محافظ، لیتیوم چرخه تک نسبت احتباس عنوان بالا به عنوان 99.97٪، به طور قابل توجهی بهتر از باتری لیتیوم-هوا بدون پوشش است.
شکل لایه محافظ انود (نوار مقیاس: خط سبز در شکل 1 میکرومتر است)
شکل عبور از لی است
2CO
3 مولکول های اکسیژن پوشش داده شده
محققان برای آزمایش عملکرد این باتری از دی سولفید مولیبدن (MoS) استفاده کردند که قبلا توسط مطالعات دیگر گزارش شده است. 2) Nanosheet به عنوان کاتد و با استفاده از تترافلوئوروبورات 1 اتیل 3-متیل (تترافلوئوروبورات 1 اتیل 3-متیل، ایمیان-BF4) و دی متیل سولفوکسید (دی متیل سولفوکساید، DMSO ) مخلوط آن به عنوان الکترولیت در کار از آند، کاتد، الکترولیت، باتری لیتیم-هوا در محیط های هوا --79٪ نیتروژن، 21٪ اکسیژن 500ppm دی اکسید کربن و 45 درصد نسبت قرار داده شده رطوبت، درجه حرارت 25 درجه سانتیگراد
پس از آزمون، بعد از 700 چرخه شارژ و تخلیه، باتری هوا لیتیوم است شکست رخ می دهد. این نتایج از بسیاری از مردم انتظار می رود، حتی برخی از فن آوری باتری تجاری بالغ (باتری به عنوان مثال، سرب و اسید) چرخه عمر است.
بنابراین تیم به این نتیجه رسیده: «محافظت آند لیتیوم، یک الکترولیت و مخلوطی از عملکرد کاتد هوا، با هم کار کنند در شرایط جوی شبیه سازی شده، می توانید به طور موثر بهبود لیتیوم - زمان چرخه باتری هوا.
در همان زمان، آزمایشگاه ملی آرگون همچنان به این واکنش سلول انجام شبیه سازی های کامپیوتری به درک بهتری از مکانیزم واکنش، تا که به بهبود عملکرد باتری در آینده، ارائه پشتیبانی نظری برای تجاری بالقوه آینده است.
لازم به ذکر است که، اگر چه مطالعه از برنامه های کاربردی کسب و کار است هنوز بسیار دور از چگالی بهینه انرژی نیز یک فاصله کوچک نیست، اما بدون شک یک پیشرفت قابل توجه در توسعه باتری های لیتیوم هوا است.
این تحقیقات نشان داده، باتری لیتیوم-هوا قطعا می تواند سپر دخالت از گازهای دیگر، بدست می آورد اکسیژن به طور مستقیم از هوا در محیط های گازی مشابه، از وابستگی به دستگاه های ذخیره سازی اکسیژن، اما هنوز هم دارای چرخه عمر طولانی این است که بدون شک تا حد زیادی افزایش محققان و صنعت برای این فن آوری باتری های انقلابی در توسعه آینده اعتماد به نفس:
از آنجا که از مهم ترین مشکلات در حال حاضر یک راه حل روشن دارند، و بقیه به سادگی ممکن است یک مشکل منجر به مرگ! شاید قبل از اینکه طولانی، پژوهشگران قادر به تولید چگالی انرژی می شود بسیار بالاتر از فن آوری باتری لیتیوم یون فعلی باتری جدید، که بدون شک متحول خواهد چشم انداز انرژی موجود است.
