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Utilizzo di nanofili per produrre batterie più sicure e potenti

INGEGNERIA E TECNOLOGIAUtilizzo di nanofili per produrre batterie più sicure e potenti

Lo studio ha scoperto un modo per realizzare batterie che usiamo ogni giorno per essere più resistenti, potenti e sicure.

L'anno è il 2018 e la nostra vita quotidiana è ora alimentata da diversi gadget che funzionano sia a elettricità che a batterie. La nostra dipendenza da gadget e dispositivi a batteria sta crescendo in modo fenomenale. UN batteria è un dispositivo che immagazzina energia chimica che viene convertita in elettricità. Le batterie sono come mini reattori chimici la cui reazione produce elettroni pieni di energia che scorre attraverso il dispositivo esterno. Che si tratti di telefoni cellulari o laptop o di altri veicoli anche elettrici, le batterie - generalmente agli ioni di litio - sono la principale fonte di alimentazione per queste tecnologie. Mentre la tecnologia continua ad avanzare , vi è una continua richiesta di batterie ricaricabili più compatte, ad alta capacità e sicure.

Le batterie hanno una storia lunga e gloriosa. Lo scienziato americano Benjamin Franklin usò per la prima volta il termine "batteria" nel 1749 mentre eseguiva esperimenti con l'elettricità utilizzando una serie di condensatori collegati. Il fisico italiano Alessandro Volta inventò la prima batteria nel 1800 quando impilarono dischi di rame (Cu) e zinco (Zn) separati da un panno imbevuto di acqua salata. La batteria al piombo, una delle batterie ricaricabili più durature e più antiche è stata inventata nel 1859 ed è ancora utilizzata in molti dispositivi anche oggi, incluso il motore a combustione interna nei veicoli.

Le batterie hanno fatto molta strada e oggi sono disponibili in una gamma di dimensioni da grandi megawatt, quindi in teoria sono in grado di immagazzinare energia dai parchi solari e illuminare le mini città o potrebbero essere piccole come quelle utilizzate negli orologi elettronici , meraviglioso non è vero. In una cosiddetta batteria primaria, la reazione che produce il flusso di elettroni è irreversibile e alla fine quando uno dei suoi reagenti viene consumato la batteria si scarica o muore. La batteria primaria più comune è la batteria zinco-carbone. Queste batterie primarie erano un grosso problema e l'unico modo per affrontare lo smaltimento di tali batterie era trovare un metodo in cui potessero essere riutilizzate, il che significa renderle ricaricabili. La sostituzione delle batterie con una nuova era ovviamente poco pratica e quindi man mano che le batterie diventavano più potente e grande è diventato quasi impossibile per non dire piuttosto costoso sostituirli e smaltirli.

La batteria al nichel-cadmio (NiCd) è stata la prima batteria ricaricabile popolare che ha utilizzato un alcali come elettrolita. Nel 1989 sono state sviluppate batterie nichel-metallo idrogeno (NiMH) con una durata maggiore rispetto alle batterie NiCd. Tuttavia, avevano alcuni inconvenienti, principalmente che erano molto sensibili al sovraccarico e al surriscaldamento, specialmente quando venivano caricate, diciamo, alla loro velocità massima. doveva essere caricato lentamente e con attenzione per evitare danni e richiedeva tempi più lunghi per essere caricato da caricabatterie più semplici.

Inventate nel 1980, le batterie agli ioni di litio (LIB) sono oggi le batterie più comunemente utilizzate nei dispositivi elettronici di consumo. Il litio è uno degli elementi più leggeri e ha uno dei maggiori potenziali elettrochimici, quindi questa combinazione è ideale per la produzione di batterie. Nei LIB, gli ioni di litio si muovono tra diversi elettrodi attraverso un elettrolita costituito da sale e solventi organici (nella maggior parte dei LIB tradizionali). Teoricamente, il litio metallico è il metallo elettricamente più positivo con una capacità molto elevata ed è la migliore scelta possibile per le batterie. Quando i LIB non si ricaricano, lo ione di litio caricato positivamente diventa metallo di litio. Pertanto, i LIB sono batterie ricaricabili più popolari da utilizzare in tutti i tipi di dispositivi portatili grazie alla loro lunga durata e all'elevata capacità. Tuttavia, uno dei problemi principali è che l'elettrolita può evaporare facilmente, causando un cortocircuito nella batteria e questo può essere un pericolo di incendio. In pratica, i LIB sono davvero instabili e inefficienti poiché nel tempo le disposizioni del litio diventano non uniformi. I LIB hanno anche bassi tassi di carica e scarica e problemi di sicurezza li rendono impraticabili per molte macchine ad alta potenza e alta capacità, ad esempio veicoli elettrici e ibridi. LIB è stato segnalato per mostrare una buona capacità e tassi di ritenzione in occasioni molto rare.

Quindi, nel mondo delle batterie non tutto è perfetto in quanto negli ultimi anni molte batterie sono state contrassegnate come non sicure perché prendono fuoco, sono inaffidabili e talvolta inefficienti. Gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di costruire batterie che siano piccole, ricaricabili in modo sicuro, più leggere, più resistenti e allo stesso tempo più potenti. Pertanto, l'attenzione si è spostata sugli elettroliti allo stato solido come potenziale alternativa. Mantenendo questo come le opzioni aimmany sono state provate dagli scienziati, ma la stabilità e la scalabilità sono state un ostacolo per la maggior parte degli studi. Gli elettroliti polimerici hanno mostrato un grande potenziale perché non sono solo stabili, ma anche flessibili e anche poco costosi. Sfortunatamente, il problema principale con tali elettroliti polimerici è la loro scarsa conduttività e proprietà meccaniche.

In un recente studio pubblicato su ACS Nano Letters, i ricercatori hanno dimostrato che la sicurezza di una batteria e anche molte altre proprietà possono essere migliorate aggiungendo nanofili, rendendo la batteria superiore. Questo team di ricercatori del College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Cina, si è basato sulla loro precedente ricerca in cui hanno realizzato nanofili di borato di magnesio che hanno mostrato buone proprietà meccaniche e conduttività. Nell'attuale studio hanno verificato se questo sarebbe vero anche per le batterie quando tali nanofili vengono aggiunti a un elettrolita polimerico allo stato solido. L'elettrolita allo stato solido è stato miscelato con 5, 10, 15 e 20 pesi di nanofili di borato di magnesio. Si è visto che i nanofili hanno aumentato la conduttività dell'elettrolita polimerico allo stato solido, il che ha reso le batterie più robuste e resistenti rispetto alle precedenti senza nanofili. Questo aumento della conduttività era dovuto all'aumento del numero di ioni che passavano e si muovevano attraverso l'elettrolita ea una velocità molto maggiore. L'intero set era come una batteria ma con l'aggiunta di nanofili. Ciò ha mostrato un tasso di prestazioni più elevato e cicli maggiori rispetto alle normali batterie. È stato inoltre eseguito un importante test di infiammabilità e si è visto che la batteria non bruciava. Le applicazioni portatili ampiamente utilizzate di oggi come telefoni cellulari e laptop devono essere aggiornate con l'energia immagazzinata massima e più compatta. Questo ovviamente aumenta il rischio di scarica violenta ed è gestibile per tali dispositivi a causa del piccolo formato delle batterie necessarie. Ma man mano che vengono progettate e sperimentate applicazioni più grandi delle batterie, la sicurezza, la durata e la potenza assumono un'importanza suprema.

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{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

Sheng O et al. 2018. Elettroliti multifunzionali a stato solido abilitati nanowire Mg2B2O5 con elevata conduttività ionica, eccellenti proprietà meccaniche e prestazioni ignifughe. Nano lettere. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

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