研究により、私たちが毎日使用するバッテリーをより弾力性があり、強力で安全なものにする方法が発見されました。
時は 2018 年、私たちの日常生活は現在、さまざまなガジェットによって支えられています。 電気 または電池で。バッテリー駆動のガジェットやデバイスへの依存度は驚異的に高まっています。あ バッテリー 電気に変換される化学エネルギーを貯蔵する装置です。バッテリーは、外部デバイスを流れるエネルギーに満ちた電子を生成する反応を行う小型の化学反応器のようなものです。携帯電話であれ、ラップトップであれ、その他の電気自動車であれ、バッテリー（通常はリチウムイオン）は、これらのテクノロジーの主な電源です。技術の進歩に伴い、より小型、高容量、安全な充電式バッテリーに対する需要が継続的に高まっています。
バッテリーには長く輝かしい歴史があります。 アメリカの科学者ベンジャミン・フランクリンは、1749年に、リンクされたコンデンサのセットを使用して電気で実験を行っているときに、最初に「バッテリー」という用語を使用しました。 イタリアの物理学者アレッサンドロボルタは、塩水に浸した布で分離された銅（Cu）と亜鉛（Zn）のディスクを積み重ねたときに、1800年に最初のバッテリーを発明しました。 最も耐久性があり、最も古い充電式電池の1859つである鉛蓄電池は、XNUMX年に発明され、現在でも自動車の内燃機関を含む多くのデバイスで使用されています。
バッテリーは長い道のりを歩んできましたが、今日ではメガワットの大きなサイズからさまざまなサイズがあります。理論的には、ソーラーファームからの電力を蓄え、小さな都市を照らすことができます。または、電子時計で使用されるものと同じくらい小さい場合もあります。 、素晴らしいですね。 いわゆる一次電池では、電子の流れを生み出す反応は不可逆的であり、最終的にその反応物のXNUMXつが消費されると、電池は平らになるか死にます。 最も一般的な一次電池はマンガン乾電池です。 これらの一次電池は大きな問題であり、そのような電池の廃棄に取り組む唯一の方法は、それらを再利用できる方法を見つけることでした。つまり、充電可能にすることです。 電池を新しいものと交換することは明らかに非現実的であり、したがって電池がより多くなるにつれて 強力な そして大きく、それらを交換して処分するのにかなりの費用がかかることは言うまでもなく、ほぼ不可能になりました。
ニッケルカドミウム電池 (NiCd) は、電解質としてアルカリを使用する最初の一般的な充電式電池でした。 1989 年に、ニカド電池よりも長寿命のニッケル金属水素電池 (NiMH) が開発されました。しかし、それらにはいくつかの欠点があり、主に、特に最大レートまで充電された場合に過充電と過熱に非常に敏感であることでした。したがって、損傷を避けるためにゆっくりと注意深く充電する必要があり、より単純な充電器では充電に長い時間がかかりました。
1980 年に発明されたリチウムイオン電池 (LIB) は、民生用電池として最も一般的に使用されています。 (エレクトロニック 今日のデバイス。リチウムは最も軽い元素の 1 つであり、電気化学ポテンシャルが最も大きいものの 1 つであるため、この組み合わせは電池の製造に理想的です。 LIB では、リチウムイオンは塩からなる電解質を通って異なる電極間を移動します。 オーガニック 溶媒 (ほとんどの従来の LIB)。理論的には、リチウム金属は非常に高い容量を備えた最も電気的に正な金属であり、電池として可能な限り最良の選択肢です。 LIB が充電されると、正に帯電したリチウムイオンがリチウム金属になります。このため、LIB は長寿命と大容量により、あらゆる種類の携帯機器で使用される最も一般的な二次電池です。ただし、大きな問題の 1 つは、電解液が蒸発しやすく、バッテリー内でショートを引き起こし、火災の危険性があることです。実際には、時間の経過とともにリチウムの性質が不均一になるため、LIB は非常に不安定で非効率です。また、LIB は充放電速度が低く、安全性への懸念により、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの多くの高出力および大容量の機械には使用できません。 LIB は、非常にまれに良好な容量と保持率を示すことが報告されています。
したがって、近年、多くのバッテリーは、発火し、信頼性が低く、時には非効率的であるため、安全でないとマークされているため、バッテリーの世界ではすべてが完璧ではありません。 世界中の科学者は、小型で安全に充電可能で、軽量で、弾力性があり、同時により強力な電池を構築することを求めています。そのため、焦点は、潜在的な代替品として固体電解質に移っています。 多くのオプションが科学者によって試されてきたので、これを維持しますが、安定性とスケーラビリティはほとんどの研究のハードルでした。 高分子電解質は、安定しているだけでなく、柔軟性があり、安価であるため、大きな可能性を示しています。 残念ながら、このような高分子電解質の主な問題は、導電性と機械的特性が低いことです。
ACSで発表された最近の研究では ナノの手紙, 研究者 らは、バッテリーにナノワイヤを追加することでバッテリーの安全性、さらには他の多くの特性が強化され、バッテリーが優れたものになることを示しました。中国の浙江理工大学材料科学工学部のこの研究者チームは、良好な機械的特性と導電性を示すホウ酸マグネシウムナノワイヤーを作製した以前の研究を基礎にしています。現在の研究では、これがバッテリーにも当てはまるかどうかを確認しました。 ナノワイヤー 固体高分子電解質に添加されます。 固体電解質は、5、10、15、および20重量のホウ酸マグネシウムナノワイヤーと混合されました。 ナノワイヤーは、固体ポリマー電解質の導電率を増加させ、ナノワイヤーなしの以前と比較して、電池をより頑丈で弾力性のあるものにすることが見られた。 この導電率の増加は、電解質を通過して移動するイオンの数がはるかに速い速度で増加したためです。 セットアップ全体はバッテリーのようでしたが、ナノワイヤーが追加されました。 これは、通常のバッテリーと比較して、より高いパフォーマンス率とサイクルの増加を示しました。 可燃性の重要なテストも実行され、バッテリーが燃えないことがわかりました。 携帯電話やラップトップなど、今日広く使用されているポータブルアプリケーションは、最大かつ最もコンパクトな蓄積エネルギーでアップグレードする必要があります。 これは明らかに激しい放電のリスクを高め、必要なバッテリーのフォーマットが小さいため、そのようなデバイスでは管理可能です。 しかし、バッテリーのより大きなアプリケーションが設計され、試されているため、安全性、耐久性、および電力が最も重要であると見なされます。
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ソース
Sheng O etal。 2018. Mg2B2O5ナノワイヤー対応の多機能固体電解質で、高いイオン伝導性、優れた機械的特性、および難燃性を備えています。 ナノレター。 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
