Kajian telah menemui cara untuk membuat bateri yang kita gunakan setiap hari menjadi lebih berdaya tahan, berkuasa dan selamat.
Tahun ini adalah 2018 dan kehidupan seharian kita kini didorong oleh gajet berbeza yang sama ada menggunakan elektrik atau bateri. Kebergantungan kami pada alat dan peranti yang dikendalikan bateri semakin meningkat dengan luar biasa. A bateri ialah peranti yang menyimpan tenaga kimia yang akan ditukar menjadi elektrik. Bateri adalah seperti reaktor kimia mini yang mempunyai tindak balas menghasilkan elektron penuh tenaga yang mengalir melalui peranti luaran. Sama ada telefon bimbit atau komputer ribanya atau kenderaan elektrik lain, bateri - umumnya litium-ion - adalah sumber kuasa utama untuk teknologi ini. Memandangkan teknologi terus maju , terdapat permintaan berterusan untuk bateri boleh dicas semula yang lebih padat, tinggi dan selamat.
Bateri mempunyai sejarah yang panjang dan gemilang. Saintis Amerika Benjamin Franklin pertama kali menggunakan istilah "bateri" pada tahun 1749 semasa melakukan eksperimen dengan elektrik menggunakan satu set kapasitor yang dipautkan. Ahli fizik Itali Alessandro Volta mencipta bateri pertama pada tahun 1800 apabila menyusun cakera tembaga (Cu) dan zink (Zn) yang dipisahkan oleh kain yang direndam dalam air masin. Bateri asid plumbum, salah satu daripada bateri boleh dicas semula yang paling tahan lama dan tertua telah dicipta pada tahun 1859 dan masih digunakan dalam banyak peranti sehingga hari ini termasuk enjin pembakaran dalaman dalam kenderaan.
Bateri telah lama berkembang dan hari ini ia datang dalam pelbagai saiz daripada saiz Megawatt yang besar, jadi secara teorinya ia mampu menyimpan kuasa dari ladang suria dan menerangi bandar mini atau ia boleh menjadi sekecil yang digunakan dalam jam tangan elektronik , mengagumkan bukan. Dalam apa yang dipanggil bateri primer, tindak balas yang menghasilkan aliran elektron tidak dapat dipulihkan dan akhirnya apabila salah satu bahan tindak balasnya dimakan bateri menjadi rata atau mati. Bateri utama yang paling biasa ialah bateri zink-karbon. Bateri utama ini merupakan masalah besar dan satu-satunya cara untuk menangani pelupusan bateri tersebut adalah dengan mencari kaedah di mana ia boleh digunakan semula - yang bermaksud dengan menjadikannya boleh dicas semula. Penggantian bateri dengan yang baru jelas tidak praktikal dan oleh itu apabila bateri menjadi lebih banyak berkuasa dan besar ia menjadi mustahil apatah lagi agak mahal untuk menggantikan dan membuangnya.
Bateri nikel-kadmium (NiCd) ialah bateri boleh dicas semula popular pertama yang menggunakan alkali sebagai elektrolit. Pada tahun 1989, bateri hidrogen nikel-logam (NiMH) telah dibangunkan yang mempunyai hayat lebih lama daripada bateri NiCd. Walau bagaimanapun, ia mempunyai beberapa kelemahan, terutamanya ia sangat sensitif terhadap pengecasan yang berlebihan dan terlalu panas terutamanya apabila ia dicas pada kadar maksimumnya. Oleh itu, ia terpaksa dicas perlahan-lahan dan berhati-hati untuk mengelakkan sebarang kerosakan dan memerlukan masa yang lebih lama untuk dicas oleh pengecas yang lebih ringkas.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer electronic devices today. Lithium is one of the lightest elements and it has one of the largest electrochemical potentials, therefore this combination is ideally suited for making batteries. In LIBs, lithium ions move between different electrodes through an electrolyte which is made of salt and organik solvents (in most traditional LIBs). Theoretically, lithium metal is the most electrically positive metal having very high capacity and is the best possible choice for batteries. When LIBs are underdoing recharging, the positively charged lithium ion becomes lithium metal.Thus, LIBs are most popular rechargeable batteries for use in all kinds of portable devices owing to their long life and high capacity. However, one major problem is that the electrolyte can evaporate easily, causing a short-circuit in the battery and this can be a fire hazard. In practice, LIBs are really unstable and inefficient as over time the lithium dispositions become non-uniform.LIBs also have low charge and discharge rates and safety concerns make them unviable for many high power and high capacity machines, example electric and hybrid electric vehicles. LIB has been reported to exhibit good capacity and retention rates at very rare occasions.
Oleh itu, semuanya tidak sempurna dalam dunia bateri kerana beberapa tahun kebelakangan ini banyak bateri telah ditandakan sebagai tidak selamat kerana ia terbakar, tidak boleh dipercayai dan kadangkala tidak cekap. Para saintis di seluruh dunia sedang berusaha untuk membina bateri yang kecil, boleh dicas semula dengan selamat, lebih ringan, lebih berdaya tahan dan pada masa yang sama lebih berkuasa. Oleh itu, tumpuan telah beralih kepada elektrolit keadaan pepejal sebagai alternatif yang berpotensi. Mengekalkan ini sebagai pilihan utama telah dicuba oleh saintis, tetapi kestabilan dan skalabiliti telah menjadi halangan bagi kebanyakan kajian. Elektrolit polimer telah menunjukkan potensi besar kerana ia bukan sahaja stabil tetapi juga fleksibel dan juga murah. Malangnya, isu utama dengan elektrolit polimer tersebut ialah kekonduksian yang lemah dan sifat mekanikalnya.
Dalam kajian terbaru yang diterbitkan dalam ACS Surat Nano, penyelidik telah menunjukkan bahawa keselamatan bateri dan malah banyak lagi sifat lain boleh dipertingkatkan dengan menambahkan wayar nano padanya, menjadikan bateri lebih unggul. Pasukan penyelidik dari Kolej Sains dan Kejuruteraan Bahan, Universiti Teknologi Zhejiang, China ini telah membina berdasarkan penyelidikan terdahulu mereka di mana mereka membuat wayar nano magnesium borat yang mempamerkan sifat mekanikal dan kekonduksian yang baik. Dalam kajian semasa mereka menyemak sama ada ini juga berlaku untuk bateri apabila sedemikian wayar nano ditambah kepada elektrolit polimer keadaan pepejal. Elektrolit keadaan pepejal dicampur dengan 5, 10, 15 dan 20 berat wayar nano magnesium borat. Dilihat bahawa wayar nano meningkatkan kekonduksian elektrolit polimer keadaan pepejal yang menjadikan bateri lebih kukuh dan berdaya tahan jika dibandingkan dengan sebelumnya tanpa wayar nano. Peningkatan kekonduksian ini adalah disebabkan oleh peningkatan bilangan ion yang melalui dan bergerak melalui elektrolit dan pada kadar yang lebih cepat. Keseluruhan persediaan adalah seperti bateri tetapi dengan wayar nano tambahan. Ini menunjukkan kadar prestasi yang lebih tinggi dan peningkatan kitaran berbanding bateri biasa. Ujian penting kebolehbakaran juga dilakukan dan ia dilihat bahawa bateri tidak terbakar. Aplikasi mudah alih yang digunakan secara meluas pada masa kini seperti telefon bimbit dan komputer riba perlu dinaik taraf dengan tenaga tersimpan maksimum dan paling padat. Ini jelas meningkatkan risiko pelepasan ganas dan ia boleh diurus untuk peranti sedemikian kerana format bateri yang kecil yang diperlukan. Tetapi apabila aplikasi bateri yang lebih besar direka dan dicuba, keselamatan, ketahanan dan kuasa mengambil kira kepentingan tertinggi.
***
{Anda boleh membaca kertas penyelidikan asal dengan mengklik pautan DOI yang diberikan di bawah dalam senarai sumber yang dipetik}
Sumber (s)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire Enabled Multifunctional Solid-State Electrolytes with High Ionic Conductivity, Cemerlang Sifat Mekanikal dan Flame-Retardant Performance. Huruf Nano. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
