© Evertiq
Komponenty | 22 kwietnia 2016
Tańsze akumulatory przy większej gęstości
Krótka historia o akumulatorach, które już ponad 20 lat temu miały zastąpić technologię litowo-jonową. Nowe odkrycia pozwoliły stworzyć wydajny i działający akumulator cynkowo-manganowy, tani jak kwasowo-ołowiowy.
Naukowcy z Amerykańskiego Departamentu Energii PNNL stworzyli nowy rodzaj akumulatora. Chodzi tu konkretnie o materiały, stanowiące główny element takiej baterii ładowalnej: cynkowo-manganowe (a dokładniej; elektrody akumulatora składające się z cynku i dwutlenku manganu: Zn + MnO2). Wyniki badań opublikowano w Nature Energy.
Jednak jak sami naukowcy podają, idea tego typu baterii nie jest nowa. Pierwsze próby stworzenia tego typu akumulatorów podejmowano już na początku lat 90 ubiegłego wieku. Miała być to tańsza alternatywa dla ogniw litowo-jonowych, jak podaje Jun Liu – jeden z pracowników laboratorium.
Jednakże takie akumulatory nie nadawały się do użytku po zaledwie kilku ładowaniach. Naukowcy odkryli, że problemem była równowaga chemiczna w takich akumulatorach cynkowo-manganowych, nad którą traciło się kontrolę.
Postanowiono na nowo podejść do problemu stworzenia takich baterii. W akumulatorach litowo-jonowych, energia jest gromadzona i uwalniana w procesie „wtrętu” (tj. „intercalation”). Chodzi o to, że jony litu wchodzą, lub wychodzą z luk pomiędzy atomami elektrod w takich akumulatorach. Pierwotnie założono, że podobny proces występuje w akumulatorach cynkowo-manganowych.
Podczas testów i badań nad pierwszymi akumulatorami zaobserwowano jednak, że zamiast wędrujących jonów cynku, baterie przechodziła przez odwracalny proces reakcji chemicznej, zmieniając ich aktywne cząsteczki w zupełnie inne – nowe.
Jako, że baterie te były bardzo atrakcyjne na papierze (BOM), postanowiono kontynuować badania. Mogą być bowiem tak tanie, jak akumulatory kwasowo-ołowiowe (dzięki tanim związkom wykorzystanym do ich budowy – cynk i mangan), a przy tym znacznie od nich pojemniejsze.
Prototypowy akumulator składał się z elektrody minusowej z cynku i dodatniej z dwutlenku manganu, a elektrolit oparty był na zwykłej wodzie. Tak jak wcześniej, również w tym przypadku, po kilku ładowaniach akumulator przestał funkcjonować. Jednak wbrew założeniom, problemem nie była interakcja cynku z dwutlenkiem manganu.
Do pracy zaprzęgnięto najnowocześniejszy sprzęt badawczo-pomiarowy, wśród nich mikroskopy elektronowe, rezonans magnetyczno-nuklearny oraz prześwietlenia rentgenowskie dyfrakcyjne. Po przeprowadzanych badaniach udało się odkryć, że dwutlenek manganu reaguje (odwracalnie) z samym elektrolitem, tworząc nowy materiał: hydroksylowy siarczan cynku („zinc hydroxyl sulfate”).
Innymi słowy, właściwości akumulatora „wyczerpywały się”, ponieważ mangan z elektrody złuszczał się, sprawiając, że materiał aktywny stawał się niedostępny i przestał w należyty sposób gromadzić energii. Mangan zaczął rozpuszczać się w elektrolicie, a kolejne procesy ładowania stabilizowały pojemność akumulatora na coraz to niższym poziomie, w związku z w/w procesem.
Zespół postanowić przeciwdziałać złuszczaniu się manganu. Odkryli oni także, że proces rozpuszczania się manganu w elektrolicie może zostać spowolniony, poprzez wstępne zwiększenie koncentracji manganu w samym elektrolicie.
Postanowiono dodać jony manganu do elektrolitu i akumulator poddano nowej serii testów. Wyniki były ciekawe. Tym razem udało się naładować i rozładować akumulator nawet 5000 razy, po czym zachowano jego pojemność początkową w 92%. Gęstość energii wynosiła 285 mAh na gram dwutlenku manganu.
Dowiedziono, że równowagę chemiczną można osiągnąć poprzez odpowiednie reakcje chemiczne, tworząc wydajne i sprawne działające akumulatory cynkowo-manganowe. Mogą też stanowić wydajne źródło energii, nawet na większą skalę.
Jednak jak sami naukowcy podają, idea tego typu baterii nie jest nowa. Pierwsze próby stworzenia tego typu akumulatorów podejmowano już na początku lat 90 ubiegłego wieku. Miała być to tańsza alternatywa dla ogniw litowo-jonowych, jak podaje Jun Liu – jeden z pracowników laboratorium.
Jednakże takie akumulatory nie nadawały się do użytku po zaledwie kilku ładowaniach. Naukowcy odkryli, że problemem była równowaga chemiczna w takich akumulatorach cynkowo-manganowych, nad którą traciło się kontrolę.
Postanowiono na nowo podejść do problemu stworzenia takich baterii. W akumulatorach litowo-jonowych, energia jest gromadzona i uwalniana w procesie „wtrętu” (tj. „intercalation”). Chodzi o to, że jony litu wchodzą, lub wychodzą z luk pomiędzy atomami elektrod w takich akumulatorach. Pierwotnie założono, że podobny proces występuje w akumulatorach cynkowo-manganowych.
Podczas testów i badań nad pierwszymi akumulatorami zaobserwowano jednak, że zamiast wędrujących jonów cynku, baterie przechodziła przez odwracalny proces reakcji chemicznej, zmieniając ich aktywne cząsteczki w zupełnie inne – nowe.
Jako, że baterie te były bardzo atrakcyjne na papierze (BOM), postanowiono kontynuować badania. Mogą być bowiem tak tanie, jak akumulatory kwasowo-ołowiowe (dzięki tanim związkom wykorzystanym do ich budowy – cynk i mangan), a przy tym znacznie od nich pojemniejsze.
Prototypowy akumulator składał się z elektrody minusowej z cynku i dodatniej z dwutlenku manganu, a elektrolit oparty był na zwykłej wodzie. Tak jak wcześniej, również w tym przypadku, po kilku ładowaniach akumulator przestał funkcjonować. Jednak wbrew założeniom, problemem nie była interakcja cynku z dwutlenkiem manganu.
Do pracy zaprzęgnięto najnowocześniejszy sprzęt badawczo-pomiarowy, wśród nich mikroskopy elektronowe, rezonans magnetyczno-nuklearny oraz prześwietlenia rentgenowskie dyfrakcyjne. Po przeprowadzanych badaniach udało się odkryć, że dwutlenek manganu reaguje (odwracalnie) z samym elektrolitem, tworząc nowy materiał: hydroksylowy siarczan cynku („zinc hydroxyl sulfate”).
Innymi słowy, właściwości akumulatora „wyczerpywały się”, ponieważ mangan z elektrody złuszczał się, sprawiając, że materiał aktywny stawał się niedostępny i przestał w należyty sposób gromadzić energii. Mangan zaczął rozpuszczać się w elektrolicie, a kolejne procesy ładowania stabilizowały pojemność akumulatora na coraz to niższym poziomie, w związku z w/w procesem.
Zespół postanowić przeciwdziałać złuszczaniu się manganu. Odkryli oni także, że proces rozpuszczania się manganu w elektrolicie może zostać spowolniony, poprzez wstępne zwiększenie koncentracji manganu w samym elektrolicie.
Postanowiono dodać jony manganu do elektrolitu i akumulator poddano nowej serii testów. Wyniki były ciekawe. Tym razem udało się naładować i rozładować akumulator nawet 5000 razy, po czym zachowano jego pojemność początkową w 92%. Gęstość energii wynosiła 285 mAh na gram dwutlenku manganu.
Dowiedziono, że równowagę chemiczną można osiągnąć poprzez odpowiednie reakcje chemiczne, tworząc wydajne i sprawne działające akumulatory cynkowo-manganowe. Mogą też stanowić wydajne źródło energii, nawet na większą skalę.
Dwa światy w jednym module
Nowy moduł bezprzewodowy od Murata, powstał przy współpracy z STMicro oraz...
Premiera AMD Ryzen 2. generacji
AMD spełnił obietnicę, dostarczając na premierę najnowsze procesory Ryzen...
Bardzo czułe fotodiody dla LiDARów
Szybka praca i szeroki zakres dynamiczny, w połączeniu ze świetnym wzmacniaczem oraz...
Wysoce stabilny wzmacniacz dla zasilaczy
Nowy wzmacniacz od Analog Devices oferuje świetną stabilność i odpowiedź czasową...
Jeszcze szybsze DSP od Cadence
Nowe procesory DSP od Cadence, w stosunku do poprzedników, zostały...
Nanoczujniki od Insplorion do monitorowania stanu akumulatorów
Ochrona klimatu i zrównoważona polityka energetyczna to obecnie najwyższe priorytety dla każdego kraju, dlatego przejście na odnawialne źródła energii jest dzisiaj koniecznością. Akumulatory są jednym z ważniejszych...
PSA – framework do budowy bezpiecznych aplikacji IoT
Bezpieczeństwo w IoT jest ważnym zagadnieniem, z którym zmaga się wielu...
Superkondensatory o grubości zaledwie 0.9 mm
Nowe, bardzo cienkie superkondensatory zaprezentowała firma Cap-XX...
Wytrzymałe wyświetlacze 7-segmentowe SMD
Nowe wyświetlacz 7-segmentowe LED przeznaczone do montażu SMD...
MPU RZ/G1C dla aplikacji HMI
Nowe MPU od Renesas, stworzone z myślą o aplikacjach HMI, posiadać mają wszystko co...
Liderzy w branży półprzewodników zwiększają swoje udziały w...
W ciągu ostatniej dekady zmiany te zdecydowanie przyspieszyły, a w ubiegłym roku TOP 25 firm...
Super mocne impulsy świetle z diod LED IR od Osram
Nowe diody LED od Osram są w stanie obsłużyć impulsy prądowe o natężeniu nawet 5 A...
Mouser dystrybutorem Altitude
Mouser Electronics podpisał globalną umowę dystrybucyjną z firmą Altitude Technology...
Implant, który zmierzy jak wiele wypiłeś
Naukowcy z San Diego opracowali ciekawy sensor, który może samodzielnie...
Małe oraz okrągłe wyświetlacze OLED dla urządzeń noszonych
Nowe wyświetlacze OLED od Midas Displays oferować mają świetną czytelność, nawet w...
Super dokładność i zasięg – nowa technologia LiDAR od Toshiby
Toshiba bierze czynny udział w tworzeniu niezawodnych i bezpiecznych systemów autonomicznego sterowania pojazdami. Ich nowa technologia LiDAR ma sprawić, że ‘oczy samochodów’ będą lepiej dostrzegać małe obiekty i będą...
Samozasilający sensor obrazu
Naukowcy z Uniwersytetu Michigan opracowali niezwykły sensor. Jest to układ, który jest...
Energooszczędny wzmacniacz zero-drift
Nowy wzmacniacz klasy zero-drift od Linear Technology świetnie nada się do wielu...
EBS z umową dystrybucyjną w Brazylii
Polska firma z branży systemów zabezpieczeń podpisała umowę z brazylijskim partnerem...
Sensor obrazu z NIR+, czyli świetna jakość obrazu w ciemnościach
Dzięki technologii NIR+w nowych sensorach CMOS, bazujących na BSI, zainteresowani będą mogli...
Artykuły, które mogą Cię zainteresować
Most Read
Załaduj więcej newsów
Komentarze