Potpuno punjenje za 18 sekundi? ! Nema više brige da ćete izaći iz kuće i ostati bez baterije...

Mobiteli, računala, tableti itd. koji koriste baterije kao izvore energije postali su dio naših života, a sve više i više ljudi počinje patiti od "električne anksioznosti", u isto vrijeme, sve veća popularnost novih energetskih vozila je ljudima je postalo sve teže puniti duge baterije - brže! Napunite bateriju malo brže! To je postala zajednička želja svih.

Ta bi se želja uskoro mogla ostvariti. Nedavno je tim Song Lija, profesora u Nacionalnom laboratoriju za sinkrotronsko zračenje na Sveučilištu znanosti i tehnologije u Kini, razvio bateriju s mogućnošću brzog punjenja.

 

Danas ćemo više govoriti o ovom istraživanju.

 

Litij-ionska baterija nadaleko je poznat uređaj za pohranu energije. Uz prednosti visoke gustoće energije i širokog raspona radnih temperatura, litij-ionske baterije zauzimaju veliku većinu komercijalnih baterija. Međutim, korišteni organski elektrolit ima određenu štetu ljudskom tijelu, a nedostatak resursa litija dovest će do nedostatka tržišta baterija u budućnosti.

 

Cink-ionska baterija, kao novi talent u polju skladištenja energije, ne samo da ima visoku teoretsku gustoću energije, već ima i netoksični vodeni elektrolit, osiguravajući sigurnu i učinkovitu proizvodnju i primjenu. Osim toga, jeftini i izdašni izvori cinka također uvelike smanjuju troškove korištenja baterija, a očekuje se da će postati potencijalna zamjena za litij-ionske baterije u budućnosti.

Iako postoje mnoge razlike u upotrebi materijala, radno stanje cink-ionskih baterija i litij-ionskih baterija u procesu punjenja i pražnjenja vrlo je slično.

 

Katodni materijal baterije često je slojevit: tijekom procesa pražnjenja baterije, litijevi ioni (ili ioni cinka) bit će ugrađeni u sloj katodnog materijala radi pohrane; Tijekom procesa punjenja baterije, litijevi ioni (ili ioni cinka) će pobjeći iz pozitivnog sloja materijala i vratiti se na negativnu elektrodu.

Općenito, princip rada baterije je proces migracije iona i prijenosa elektrona.

Princip brzog punjenja baterije

Dakle, u ovom znanstvenom istraživanju, kako se postiže brzo punjenje baterije?

 

1. Proširite kanale za prijenos iona

 

Kao što je gore spomenuto, proces punjenja i pražnjenja cink-ionskih baterija je proces kontinuirane migracije iona. Ako želite pohraniti što veći kapacitet baterije u kratkom vremenskom razdoblju, morate stvoriti veliki prostor za pohranu iona cinka.

 

Prvo su se istraživači usredotočili na slojevite materijale vanadij pentoksida s prilagodljivom prostornom strukturom. Slojeviti materijal vanadij pentoksida strukturiran je kao da je raspoređen od više paralelnih ploča. Kako bi se povećao razmak slojeva slojevitog katodnog materijala, veći amonijevi ioni mogu se unaprijed interkalirati. Ovo je dodavanje stupova između ovih slojeva unaprijed kako bi se povećao razmak između slojeva.

 

Uz potporu amonijevih iona, ioni cinka mogu lakše migrirati u materijalu pozitivne elektrode, a veći međuslojni prostor također može učinkovito poboljšati kapacitet pohrane energije baterije.

 

 

2. Od podešavanja orbitalne okupacije do ubrzanja prijenosa elektrona

Važno je znati da je proces skladištenja energije u bateriji usko povezan s migracijom iona i prijenosom elektrona. Kada ioni cinka uđu u sloj katodnog materijala radi skladištenja, dio elektrona će također biti prebačen u katodni materijal kako bi se održala ukupna ravnoteža naboja. Stoga je također vrlo važno proučavati utjecaj interkaliranih iona na elektronsku strukturu slojevitih materijala.

 

Međutim, konvencionalnim metodama ispitivanja teško je jasno istražiti unutarnju atomsku i elektroničku strukturu materijala. Stoga su za detekciju potrebne naprednije tehnike karakterizacije sinkrotronskog zračenja. Jednostavno rečeno, tehnologija sinkrotronskog zračenja može se shvatiti kao poboljšana verzija "super mikroskopa", koristeći njegovu visoku svjetlinu i širokopojasne karakteristike da bi se vidjela unutarnja struktura materije.

Koristeći ovu tehniku, istraživači su istraživali promjene okupacije atomske orbite u materijalu vanadij pentaoksida nakon umetanja stupova amonijevih iona između slojeva i reverzibilnu evoluciju procesa naboja i pražnjenja.

 

Ovdje prvo predstavljamo osnovni koncept elektroničke strukture.

 

Za elemente s ekstranuklearnim elektronima, njihovi elektroni nisu zbrkani, već raspoređeni u orbitama. Štoviše, elektroni uvijek prvo zauzimaju niže energetske orbitale, to jest jezgre u središtu, raspoređene iznutra prema van.

 

Za vanadij, njegov raspored valentnih elektrona prikazan je dolje, s pet valentnih elektrona u vanjskom sloju. U vanadij pentoksidu, svih pet elektrona koristi se za povezivanje s atomima kisika. U ovom trenutku, 3d orbitala vanadija je prazna orbitala koju ne zauzimaju elektroni.

 

 

3. Dvostruka regulacija kristalne strukture i elektroničke strukture omogućuje brzo punjenje i stabilan ciklus

Kada se koristi ovaj novi katodni materijal, zn-ion baterija postiže kapacitet od 101mAh/g pri gustoći struje od 200C, a punjenje traje samo 18s. U isto vrijeme, vodeni elektrolit također osigurava sigurnost procesa cirkulacije i smanjuje onečišćenje okoliša.

 

U ovom radu, razmak između slojeva i stanje zauzetosti orbite slojevitih materijala dizajnirani su i regulirani iz kristalne strukture i elektronske strukture materijala. U isto vrijeme, u kombinaciji s naprednim sredstvima za karakterizaciju sinkrotronskog zračenja, evolucija strukture materijala je intuitivnija i jasnija, tako da je moguć materijal pozitivne elektrode s karakteristikama brzog punjenja.

 

Možda će se u bliskoj budućnosti takvi materijali moći koristiti u elektroničkim proizvodima, pa čak i javnom prijevozu. Značajno smanjenje vremena punjenja može živote ljudi učiniti učinkovitijima i praktičnijima; Sigurni i čisti materijali za baterije također mogu smanjiti opterećenje okoliša. Vjerujte da će tehnologija učiniti da taj dan nije daleko.