பாதுகாப்பான மற்றும் சக்தி வாய்ந்த பேட்டரிகளை தயாரிக்க நானோவைர்களைப் பயன்படுத்துதல்

நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் பேட்டரிகளை அதிக மீள்திறன், சக்தி வாய்ந்த மற்றும் பாதுகாப்பானதாக மாற்றுவதற்கான வழியை ஆய்வு கண்டறிந்துள்ளது.

ஆண்டு 2018 மற்றும் எங்கள் அன்றாட வாழ்க்கை இப்போது இயங்கும் வெவ்வேறு கேஜெட்களால் தூண்டப்படுகிறது மின்சாரம் அல்லது பேட்டரிகளில். பேட்டரி மூலம் இயக்கப்படும் கேஜெட்டுகள் மற்றும் சாதனங்களின் மீதான எங்கள் நம்பிக்கை அபரிமிதமாக வளர்ந்து வருகிறது. ஏ பேட்டரி மின்சாரமாக மாற்றப்படும் இரசாயன ஆற்றலைச் சேமிக்கும் ஒரு சாதனமாகும். மின்கலங்கள் மினி இரசாயன உலைகளைப் போன்றது, அவை வெளிப்புறச் சாதனத்தின் வழியாகப் பாயும் எலக்ட்ரான்கள் நிறைந்த ஆற்றலை உருவாக்கும் எதிர்வினையைக் கொண்டிருக்கின்றன. அதன் செல்போன்கள் அல்லது மடிக்கணினிகள் அல்லது பிற மின்சார வாகனங்கள், பேட்டரிகள் - பொதுவாக லித்தியம்-அயன் - இந்த தொழில்நுட்பங்களுக்கு முக்கிய ஆற்றல் மூலமாகும். தொழில்நுட்பம் முன்னேறி வருவதால், அதிக கச்சிதமான, அதிக திறன் மற்றும் பாதுகாப்பான ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடிய பேட்டரிகளுக்கான தொடர்ச்சியான தேவை உள்ளது.

பேட்டரிகள் நீண்ட மற்றும் புகழ்பெற்ற வரலாற்றைக் கொண்டுள்ளன. அமெரிக்க விஞ்ஞானி பெஞ்சமின் ஃபிராங்க்ளின் 1749 ஆம் ஆண்டில் இணைக்கப்பட்ட மின்தேக்கிகளின் தொகுப்பைப் பயன்படுத்தி மின்சாரம் மூலம் பரிசோதனைகள் செய்யும் போது "பேட்டரி" என்ற வார்த்தையை முதன்முதலில் பயன்படுத்தினார். இத்தாலிய இயற்பியலாளர் அலெஸாண்ட்ரோ வோல்டா 1800 ஆம் ஆண்டில் முதல் மின்கலத்தை கண்டுபிடித்தார், அப்போது உப்பு நீரில் நனைத்த துணியால் பிரிக்கப்பட்ட செம்பு (Cu) மற்றும் துத்தநாகம் (Zn) டிஸ்க்குகளை அடுக்கி வைத்தார். லீட்-அமில பேட்டரி, மிகவும் நீடித்த மற்றும் பழமையான ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடிய பேட்டரிகளில் ஒன்றாகும், இது 1859 இல் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது மற்றும் இன்றும் வாகனங்களில் உள்ள உள் எரிப்பு இயந்திரம் உட்பட பல சாதனங்களில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

பேட்டரிகள் நீண்ட தூரம் வந்துவிட்டன, இன்று அவை பெரிய மெகாவாட் அளவுகளில் இருந்து வரம்பில் வருகின்றன, எனவே கோட்பாட்டளவில் அவை சூரியப் பண்ணைகளில் இருந்து மின்சாரத்தைச் சேமித்து மினி நகரங்களை ஒளிரச் செய்ய முடிகிறது அல்லது எலக்ட்ரானிக் கைக்கடிகாரங்களில் பயன்படுத்தப்படுவதைப் போல சிறியதாக இருக்கலாம். , அற்புதம் அல்லவா. முதன்மை மின்கலம் என்று அழைக்கப்படுபவற்றில், எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தை உருவாக்கும் எதிர்வினை மீள முடியாதது மற்றும் இறுதியில் அதன் எதிர்வினைகளில் ஒன்றை நுகரும் போது பேட்டரி தட்டையானது அல்லது இறக்கிறது. மிகவும் பொதுவான முதன்மை பேட்டரி துத்தநாக-கார்பன் பேட்டரி ஆகும். இந்த முதன்மை பேட்டரிகள் ஒரு பெரிய பிரச்சனையாக இருந்தன, அத்தகைய பேட்டரிகளை அகற்றுவதைச் சமாளிப்பதற்கான ஒரே வழி, அவற்றை மீண்டும் பயன்படுத்தக்கூடிய ஒரு முறையைக் கண்டுபிடிப்பதாகும் - அதாவது அவற்றை ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடியதாக மாற்றுவதன் மூலம். பேட்டரிகளை புதியதாக மாற்றுவது வெளிப்படையாக நடைமுறைக்கு மாறானது, இதனால் பேட்டரிகள் அதிகமாகின சக்திவாய்ந்த அவற்றை மாற்றுவதற்கும் அவற்றை அப்புறப்படுத்துவதற்கும் மிகவும் விலை உயர்ந்ததாகக் குறிப்பிடுவது சாத்தியமற்றது.

நிக்கல்-காட்மியம் பேட்டரி (NiCd) என்பது காரத்தை எலக்ட்ரோலைட்டாகப் பயன்படுத்திய முதல் பிரபலமான ரிச்சார்ஜபிள் பேட்டரி ஆகும். 1989 இல் நிக்கல்-மெட்டல் ஹைட்ரஜன் பேட்டரிகள் (NiMH) NiCd பேட்டரிகளை விட நீண்ட ஆயுளுடன் உருவாக்கப்பட்டது. இருப்பினும், அவை சில குறைபாடுகளைக் கொண்டிருந்தன, முக்கியமாக அவை அதிகச் சார்ஜ் மற்றும் அதிக வெப்பமடைதல் ஆகியவற்றில் மிகவும் உணர்திறன் கொண்டவை, குறிப்பாக அவற்றின் அதிகபட்ச விகிதத்தில் கட்டணம் வசூலிக்கப்படும்போது. எனவே, அவை எந்த சேதத்தையும் தவிர்க்க மெதுவாகவும் கவனமாகவும் சார்ஜ் செய்யப்பட வேண்டும் மற்றும் எளிமையான சார்ஜர்களால் சார்ஜ் செய்ய அதிக நேரம் தேவைப்பட்டது.

1980 இல் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது, லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகள் (LIBs) நுகர்வோரில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் பேட்டரிகள் ஆகும். மின்னணு இன்று சாதனங்கள். லித்தியம் இலகுவான தனிமங்களில் ஒன்றாகும், மேலும் இது மிகப்பெரிய மின்வேதியியல் திறன்களில் ஒன்றாகும், எனவே இந்த கலவையானது பேட்டரிகள் தயாரிப்பதற்கு மிகவும் பொருத்தமானது. LIB களில், லித்தியம் அயனிகள் வெவ்வேறு மின்முனைகளுக்கு இடையில் உப்பு மற்றும் உப்பால் செய்யப்பட்ட எலக்ட்ரோலைட் மூலம் நகர்கின்றன. கரிம கரைப்பான்கள் (பெரும்பாலான பாரம்பரிய LIBகளில்). கோட்பாட்டளவில், லித்தியம் உலோகம் மிக அதிக திறன் கொண்ட மின்னியல் நேர்மறை உலோகம் மற்றும் பேட்டரிகளுக்கான சிறந்த தேர்வாகும். LIBகள் ரீசார்ஜிங் செய்யாமல் இருக்கும் போது, ​​நேர்மறையாக சார்ஜ் செய்யப்பட்ட லித்தியம் அயன் லித்தியம் உலோகமாக மாறுகிறது. இதனால், LIB கள் நீண்ட ஆயுட்காலம் மற்றும் அதிக திறன் காரணமாக அனைத்து வகையான கையடக்க சாதனங்களிலும் பயன்படுத்த மிகவும் பிரபலமான ரிச்சார்ஜபிள் பேட்டரிகள் ஆகும். இருப்பினும், ஒரு பெரிய பிரச்சனை என்னவென்றால், எலக்ட்ரோலைட் எளிதில் ஆவியாகி, பேட்டரியில் ஷார்ட் சர்க்யூட்டை ஏற்படுத்துகிறது மற்றும் இது தீ ஆபத்தாக இருக்கலாம். நடைமுறையில், LIB கள் உண்மையில் நிலையற்றவை மற்றும் திறமையற்றவை, ஏனெனில் காலப்போக்கில் லித்தியம் நிலைகள் சீராக இல்லை. LIB களில் குறைந்த சார்ஜ் மற்றும் டிஸ்சார்ஜ் விகிதங்கள் உள்ளன மற்றும் பாதுகாப்புக் கவலைகள் பல உயர் சக்தி மற்றும் அதிக திறன் கொண்ட இயந்திரங்களுக்கு அவற்றை சாத்தியமற்றதாக ஆக்குகின்றன, எடுத்துக்காட்டாக மின்சார மற்றும் கலப்பின மின்சார வாகனங்கள். LIB மிகவும் அரிதான சந்தர்ப்பங்களில் நல்ல திறன் மற்றும் தக்கவைப்பு விகிதங்களை வெளிப்படுத்துவதாக தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது.

எனவே, பேட்டரிகளின் உலகில் அனைத்தும் சரியாக இல்லை, ஏனெனில் சமீபத்திய ஆண்டுகளில் பல பேட்டரிகள் பாதுகாப்பற்றதாகக் குறிக்கப்பட்டுள்ளன, ஏனெனில் அவை தீப்பிடித்து, நம்பகத்தன்மையற்றவை மற்றும் சில சமயங்களில் திறமையற்றவை. உலகளாவிய விஞ்ஞானிகள் சிறிய, பாதுகாப்பாக ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடிய, இலகுவான, அதிக மீள்தன்மை மற்றும் அதே நேரத்தில் அதிக சக்தி வாய்ந்த பேட்டரிகளை உருவாக்கும் தேடலில் உள்ளனர். எனவே, சாத்தியமான மாற்றாக திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகளுக்கு கவனம் செலுத்தப்பட்டுள்ளது. இதை இலக்கு விருப்பங்களாக வைத்துக் கொள்வது விஞ்ஞானிகளால் முயற்சிக்கப்பட்டது, ஆனால் நிலைத்தன்மை மற்றும் அளவிடுதல் ஆகியவை பெரும்பாலான ஆய்வுகளுக்கு ஒரு தடையாக உள்ளது. பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பெரிய ஆற்றலைக் காட்டுகின்றன, ஏனெனில் அவை நிலையானவை மட்டுமல்ல, நெகிழ்வானவை மற்றும் மலிவானவை. துரதிர்ஷ்டவசமாக, பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் முக்கிய பிரச்சினை அவற்றின் மோசமான கடத்துத்திறன் மற்றும் இயந்திர பண்புகள் ஆகும்.

ACS இல் வெளியிடப்பட்ட சமீபத்திய ஆய்வில் நானோ கடிதங்கள், ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஒரு பேட்டரியின் பாதுகாப்பு மற்றும் பல பண்புகளை கூட நானோவைகளை சேர்ப்பதன் மூலம் மேம்படுத்தலாம், பேட்டரியை சிறந்ததாக்குகிறது. சீனாவின் ஜெஜியாங் தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தின் மெட்டீரியல்ஸ் சயின்ஸ் அண்ட் இன்ஜினியரிங் கல்லூரியைச் சேர்ந்த இந்தக் குழு, மெக்னீசியம் போரேட் நானோவைர்களை உருவாக்கி, நல்ல இயந்திர பண்புகளையும் கடத்துத்திறனையும் வெளிப்படுத்திய தங்கள் முந்தைய ஆராய்ச்சியை உருவாக்கியுள்ளனர். தற்போதைய ஆய்வில், இது பேட்டரிகளுக்கும் உண்மையாக இருக்குமா என்பதை அவர்கள் சோதித்தனர் நானோ கம்பிகள் ஒரு திட-நிலை பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டில் சேர்க்கப்படுகின்றன. திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட் 5, 10, 15 மற்றும் 20 எடையுள்ள மெக்னீசியம் போரேட் நானோவாய்களுடன் கலக்கப்பட்டது. நானோவாய்கள் திட-நிலை பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டின் கடத்துத்திறனை அதிகரித்தது, இது நானோவாய்கள் இல்லாமல் முந்தையதை ஒப்பிடும்போது பேட்டரிகளை மிகவும் உறுதியானதாகவும், மீள்தன்மையுடனும் மாற்றியது. கடத்துத்திறனில் இந்த அதிகரிப்பு, எலக்ட்ரோலைட் வழியாக செல்லும் மற்றும் நகரும் அயனிகளின் எண்ணிக்கை மற்றும் மிக விரைவான விகிதத்தில் அதிகரித்ததன் காரணமாகும். முழு அமைப்பும் ஒரு பேட்டரி போன்றது ஆனால் கூடுதல் நானோவாய்களுடன் இருந்தது. இது சாதாரண பேட்டரிகளுடன் ஒப்பிடும்போது அதிக செயல்திறன் மற்றும் அதிகரித்த சுழற்சிகளைக் காட்டியது. அழற்சியின் ஒரு முக்கியமான சோதனையும் செய்யப்பட்டது மற்றும் பேட்டரி எரியவில்லை என்பது தெரிந்தது. மொபைல் போன்கள் மற்றும் மடிக்கணினிகள் போன்ற இன்று பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் கையடக்க பயன்பாடுகள் அதிகபட்ச மற்றும் மிகக் கச்சிதமான சேமிக்கப்பட்ட ஆற்றலுடன் மேம்படுத்தப்பட வேண்டும். இது வெளிப்படையாக வன்முறை வெளியேற்றத்தின் அபாயத்தை அதிகரிக்கிறது மற்றும் சிறிய அளவிலான பேட்டரிகள் தேவைப்படுவதால், இது போன்ற சாதனங்களுக்கு இது நிர்வகிக்கப்படுகிறது. ஆனால் பேட்டரிகளின் பெரிய பயன்பாடுகள் வடிவமைக்கப்பட்டு முயற்சிக்கப்படுவதால், பாதுகாப்பு, ஆயுள் மற்றும் சக்தி ஆகியவை உச்ச முக்கியத்துவம் பெறுகின்றன.

***

{மேற்கோள் காட்டப்பட்ட ஆதாரங்களின் பட்டியலில் கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ள DOI இணைப்பைக் கிளிக் செய்வதன் மூலம் அசல் ஆய்வுக் கட்டுரையைப் படிக்கலாம்}

ஆதாரம் (ங்கள்)

ஷெங் ஓ மற்றும் பலர். 2018. Mg2B2O5 Nanowire இயக்கப்பட்ட மல்டிஃபங்க்ஸ்னல் சாலிட்-ஸ்டேட் எலக்ட்ரோலைட்டுகள், உயர் அயனி கடத்துத்திறன், சிறந்த இயந்திர பண்புகள் மற்றும் ஃபிளேம்-ரிடார்டன்ட் செயல்திறன். நானோ கடிதங்கள். https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659