电池:绿色储能解决方案

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在纳米级上成像硅。硅是研究人员使用的元素之一,用于制作更强大的电池。

像许多现代发明一样,电力已成为我们日常生活中这样一个不可或缺的一部分,直到最近,我们几乎没有注意到它。现在,随着全球变暖的织造织机和我们的电费继续上升,一般的能源是对我们所全部的称重。我们看到我们生命中的几乎各个方面 - 从照明我们的房屋来冷却它们 - 依靠出口。

最近,我们提高了与化石能源相关的环境和经济问题的认识,对从可再生资源的发电,特别是在风和太阳能方面转变了利益。然而,使用风和太阳能的一个挑战是匹配的电源。例如,太阳能或来自阳光的能量,只能在白天时使用。然而,晚上,房屋中的能量的消费通常更高。至于风力,即使是该国最大的地区也不会每天都有稳步的微风。因此,存储从这些来源产生的电力的有效和有效的手段对于使用可再生能量的广泛成功来说是至关重要的。

能量存储的一个明显的解决方案是可充电电池 - 这是一项近150年的技术。不幸的是,电流可充电电池的性能特性限制了其更广泛的应用。典型的手机电池持续两到三个小时,需要花很多时间充电。电池电量(能量输送速率)太低,不能使其适用于在草坪割草机等中型机械中使用。电池有限的能量存储容量,缓慢的充电和最大可交付能力也是电动汽车更受欢迎的主要原因。

然而,增加电动汽车的普及是更有效的能量存储可能对环境和化石燃料消耗产生重大影响的一种方式。考虑一下所有乘用车由电池供电的方案。据估计,将汽油中能量转化为车辆运动的整体效率为5乘客全尺寸轿车的轿车约为16%(城市驾驶和20%的高速公路驾驶的12%接近12%)。换句话说,浪费了84%的能量。当电力由化石燃料(煤或天然气)产生时,电动车的效率约为35%。这是由于现代电厂(45-50%),电池储能和电动机的高效率。换句话说,即使电力来自化石燃料,电动汽车也可以减少一半的温室气体排放量。

为了实现上述情景,需要电荷存储容量,充电率和放电速率(即功率),寿命,安全性和成本。估计是,需要10倍的储存能力和功率的提高,以使充电电池的性能与内燃机竞争,使电动和插入式混合动力汽车有吸引力的传统汽车。储存能力的提高十倍,汽车可以在充电之间进行约400英里,类似于汽油罐提供的范围,并在10分钟内完成“重新填充”的相似改善将完成“重新填充”。所以。

那么我们如何改善电池技术?要开始,它有助于查看电池的一般如何工作。最基本的电池有三个主要部件 - 阳极,带负电的端部,阴极,带正电的末端和一个电解质。电解质是含有的物质离子或电荷的原子或电荷的原子与化学反应中的阳极和阴极反应以产生新化合物。阳极反应释放额外的电子,阴极处的反应将吸收。然而,阳极中的额外电子不能通过电解质到阴极。相反,电子通过电池外部的电线行进,从阳极连接到阴极,产生闭合电路。在阳极和阴极之间的该电路上包括需要供电的项目(例如灯泡)。电子或电力的流动通过灯泡,提供所需的能量。如果电子不能通过闭合电路从阳极流到阴极,则将停止化学反应。这就是为什么没有任何类型设备供电的电池可以保持更长的时间段。

一旦阴极或阳极用完化学物质,或试剂,继续反应,电池不能再供应能量。对于主要的电池电池,如平均AA或AAA,这是道路的末端。然而,通过反转化学过程可以补充二次电池电池。换句话说,与另一个源类似的电源,如墙体出口,使电子给阳极,并从阴极中除去它们直到电池再充电(即,直到阳极和阴极试剂足够补充)。

最广泛使用的可充电电池是铅酸电池,其实际上是所有传统车辆。它沉重,储存能力较低。锂(Li)离子电池是最先进的可充电电池,并用于便携式计算机和通信设备(手机)。在锂离子电池中,阳极由Li金属原子制成intercalated,或插入,在层之间石墨烯.,制造的碳原子片石墨。阴极由与氧原子连接的钴金属离子层制成。在使用期间,将阳极中的Li金属原子转化为阳性Li离子(Li +)。该反应释放通过外部电路从阳极从阳极行进的电子,并执行工作,例如供电计算机。同时,Li离子离开阳极并通过电池的电解质到阴极行进,在那里它与钴,氧和电子反应。该化学过程在充电期间逆转。

李离子电池的局限性可以通过仔细看看它们的个体化​​学成分来看待。功率受到快速锂可以扩散到阳极和阴极的电力,以及电解质中的离子流动的电阻。每单位体积或电池的重量可以存储的电荷量在阳极中受到阳极的限制,通过石墨可以容纳了多少Li金属原子。构成石墨稳定锂的碳原子。如果加入了这么多的锂,使得碳不能稳定,锂原子开始粘合在一起,形成锂“晶须”。锂电池更具反应性。事实上,如果这些晶须在泄漏电池中形成并且它们暴露在空气中,锂可以反应并导致火灾。

一个发展方向是用另一个具有更高锂储存容量的材料更换石墨,这意味着它可以稳定更多的锂原子。硅是一种非常有前途的材料 - 每种硅原子可以稳定四个锂原子。然而,硅的锂原子扩散比石墨慢得多,降低电池的功率。这是因为硅的结构与石墨的结构如此不同。如前所述,石墨由称为石墨烯的碳原子片制成。这些薄片之间的粘合较弱,允许锂容易地移动它们。然而,硅原子布置在紧密粘合的块中,使锂难以进入中间的硅原子。相反,Li金属原子必须按下以外粘合在一起以漫射通过的Si原子。Si Atom越深,李达到它的越难。此外,推动Si原子分开向Si块引入压力,从而使它们骨折和降低电池性能。

科学家正试图通过形成非常小的克服这一点纳米结构(纳米尺寸结构)硅,使得硅原子中没有任何距离结构表面。然后,李原子需要仅行进短距离以进入所有硅原子。而且,当Li离子出口时,纳米结构应该更容易容纳在插入原子和收缩期间的膨胀。这已经在使用纳米球形或杆状结构和薄涂层中成功在实验室中证明。然而,这些结构的物理性质使它们具有固有的稳定性,这意味着它们不能在许多充电循环后保持其原始形状和充电。例如,如果手机电池在使用它第一次使用它时,它可能只能在您充电/充电五十次后持续一小时。这为研究人员创造了一个全新的问题。

其他思想探索不同的金属离子,该金属离子在充电 - 放电循环中释放多于一个电子。任何释放两个电子代替一个加倍电荷存储容量的金属离子。但是,这种解决方案可能会牺牲电池的电压。电压通常被比作水压 - 它与推动从另一个地方的力的力成正比。电压由阳极倾向于放弃较低的电子的倾向之间的差异决定,并且阴极接受它的趋势,这更高。如果金属离子在阳极处放置两个电子,则可能不太愿意为第二电子执行,而不是第一电子,这可能降低电池的电压。

全国各地的研究人员继续在实验室中解决这些问题,希望能够创造更好的能量存储解决方案。这一新一代可充电电池的开发可能导致我们为生活的方式产生重大变化,特别是如果家庭甚至社区进一步拥抱了太阳能电池板和风力涡轮机的安装,以补充它们的电力供应,或专门驱动电动汽车。随着温室气体排放和全球变暖的有害影响在我们的环境中越来越明显,需要干净和有效地使用能源将变得更加重要。更有效的电池的开发只是研究人员正在努力实现更可持续的能源模型的方式。

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