Caj penuh dalam 18 saat? ! Tak perlu risau lagi nak keluar rumah dan kehabisan bateri...

Telefon bimbit, komputer, tablet, dsb. yang menggunakan bateri sebagai sumber tenaga telah menjadi sebahagian daripada kehidupan kita, dan semakin ramai orang mula mengalami "kebimbangan elektrik", pada masa yang sama, populariti kenderaan tenaga baharu yang semakin pantas telah menyukarkan orang ramai untuk mengecas bateri yang panjang - lebih pantas! Cas bateri lebih cepat sedikit! Ini menjadi hasrat bersama semua.

Hasrat itu mungkin akan menjadi kenyataan tidak lama lagi. Baru-baru ini, pasukan Song Li, seorang profesor di Makmal Sinaran Synchrotron Kebangsaan di Universiti Sains dan Teknologi China, membangunkan bateri dengan keupayaan pengecasan pantas.

 

Hari ini kita akan bercakap lebih lanjut mengenai penyelidikan ini.

 

Bateri litium-ion ialah peranti storan tenaga yang diiktiraf secara meluas. Dengan kelebihan ketumpatan tenaga yang tinggi dan julat suhu operasi yang luas, bateri lithium-ion telah menduduki sebahagian besar bateri komersial. Walau bagaimanapun, elektrolit organik yang digunakan mempunyai kemudaratan tertentu kepada tubuh manusia, dan kekurangan sumber litium akan menyebabkan kekurangan pasaran bateri pada masa hadapan.

 

Bateri zink-ion, sebagai bakat baharu dalam bidang penyimpanan tenaga, bukan sahaja mempunyai ketumpatan tenaga teori yang tinggi, tetapi juga mempunyai elektrolit air bukan toksik, memastikan pengeluaran dan penggunaan yang selamat dan cekap. Di samping itu, sumber zink yang murah dan banyak juga mengurangkan kos penggunaan bateri, dijangka menjadi pengganti berpotensi untuk bateri lithium-ion pada masa hadapan.

Walaupun terdapat banyak perbezaan dalam penggunaan bahan, keadaan kerja bateri zink-ion dan bateri litium-ion dalam proses pengecasan dan nyahcas adalah sangat serupa.

 

Bahan katod bateri selalunya berlapis: semasa proses nyahcas bateri, ion litium (atau ion zink) akan tertanam dalam lapisan bahan katod untuk penyimpanan; Semasa proses pengecasan bateri, ion litium (atau ion zink) akan terlepas dari lapisan bahan positif dan kembali ke elektrod negatif.

Secara amnya, prinsip kerja bateri ialah proses pemindahan ion dan pemindahan elektron.

Prinsip pengecasan bateri pantas

Jadi dalam penyelidikan saintifik ini, bagaimanakah bateri pengecasan pantas dicapai?

 

1. Meluaskan saluran pengangkutan ion

 

Seperti yang dinyatakan di atas, proses mengecas dan menyahcas bateri zink-ion adalah proses penghijrahan ion berterusan. Jika anda ingin menyimpan sebanyak mungkin kapasiti bateri dalam tempoh yang singkat, anda perlu mencipta ruang simpanan yang besar untuk ion zink.

 

Pertama, para penyelidik memberi tumpuan kepada bahan vanadium pentoksida berlapis dengan struktur ruang boleh laras. Bahan vanadium pentoksida berlapis berstruktur seolah-olah ia disusun oleh pelbagai plat selari. Untuk meningkatkan jarak lapisan bahan katod berlapis, ion ammonium yang lebih besar boleh pra-interkalasi. Ini adalah untuk menambah beberapa tiang antara lapisan ini terlebih dahulu untuk meningkatkan jarak lapisan.

 

Dengan sokongan ion ammonium, ion zink boleh lebih mudah berhijrah dalam bahan elektrod positif, dan ruang interlayer yang lebih besar juga boleh meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga bateri dengan berkesan.

 

 

2. Daripada melaraskan pendudukan orbit kepada mempercepatkan pemindahan elektron

Adalah penting untuk mengetahui bahawa proses penyimpanan tenaga bateri berkait rapat dengan penghijrahan ion dan pemindahan elektron. Apabila ion zink memasuki lapisan bahan katod untuk penyimpanan, beberapa elektron juga akan dipindahkan ke bahan katod untuk mengekalkan keseimbangan cas keseluruhan. Oleh itu, ia juga sangat penting untuk mengkaji pengaruh ion berinterkalasi pada struktur elektronik bahan berlapis.

 

Walau bagaimanapun, kaedah ujian konvensional sukar untuk meneroka dengan jelas struktur atom dan elektronik dalaman bahan. Oleh itu, teknik pencirian sinaran synchrotron yang lebih maju diperlukan untuk pengesanan. Ringkasnya, teknologi sinaran synchrotron boleh difahami sebagai versi "mikroskop super" yang dipertingkatkan, menggunakan kecerahan tinggi dan ciri jalur lebar untuk melihat struktur dalaman jirim.

Menggunakan teknik ini, para penyelidik menyiasat perubahan pendudukan orbit atom dalam bahan vanadium pentaoksida selepas penyisipan tiang ion ammonium di antara lapisan dan evolusi boleh balik proses cas dan nyahcas.

 

Di sini kita mula-mula memperkenalkan konsep asas struktur elektronik.

 

Bagi unsur-unsur dengan elektron luar nuklear, elektronnya tidak bersepah, tetapi disusun dalam orbit. Selain itu, elektron sentiasa menduduki orbital tenaga yang lebih rendah terlebih dahulu, iaitu, nukleus di pusat, disusun dari dalam ke luar.

 

Untuk vanadium, susunan elektron valensnya ditunjukkan di bawah, dengan lima elektron valens di lapisan luar. Dalam vanadium pentoksida, semua lima elektron digunakan untuk mengikat dengan atom oksigen. Pada ketika ini, orbital 3d vanadium ialah orbital kosong yang tidak diduduki oleh elektron.

 

 

3. Peraturan dwi struktur kristal dan struktur elektronik menjadikan pengecasan pantas dan kitaran stabil menjadi kenyataan

Apabila menggunakan bahan katod baharu ini, bateri zn-ion mencapai kapasiti 101mAh/g pada ketumpatan arus 200C, dan pengecasan hanya mengambil masa 18s. Pada masa yang sama, elektrolit air juga memastikan keselamatan proses peredaran dan mengurangkan pencemaran kepada alam sekitar.

 

Dalam kertas ini, jarak lapisan dan keadaan pendudukan orbit bahan berlapis direka bentuk dan dikawal selia daripada struktur kristal dan struktur elektronik bahan. Pada masa yang sama, digabungkan dengan pencirian sinaran synchrotron canggih bermakna, evolusi struktur bahan adalah lebih intuitif dan jelas, supaya bahan elektrod positif dengan ciri pengecasan pantas adalah mungkin.

 

Mungkin dalam masa terdekat, bahan tersebut boleh digunakan dalam produk elektronik, dan juga pengangkutan awam. Pengurangan ketara dalam masa pengecasan boleh menjadikan kehidupan orang ramai lebih cekap dan selesa; Bahan bateri yang selamat dan bersih juga boleh mengurangkan beban alam sekitar. Percayalah bahawa teknologi akan menjadikan hari itu tidak jauh.