Trzech naukowców, którzy opracowali technologię w sercu ery smartfonów - i wynikającej z niej transformacji społecznej - zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2019 roku. Prace Johna B. Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama i Akiry Yoshino dokonały kluczowych postępów w akumulatorach litowo-jonowych, które przechowują duże ilości energii w małych ogniwach baterii i są szybkie i łatwe do naładowania.
Po raz pierwszy sprzedane komercyjnie w 1991 roku przez Sony dla swoich kamer, tego typu baterie są dobre dla znacznie więcej niż przenośna elektronika użytkowa. Znajdują się one w centrum dwóch innych rewolucji technologicznych, które mają moc przekształcania społeczeństwa: przejścia z silników spalinowych na pojazdy elektryczne oraz przejścia z sieci elektrycznej zasilanej paliwami kopalnymi na generatory energii odnawialnej, które przechowują nadwyżki energii elektrycznej w bateriach do wykorzystania w przyszłości.
Jak więc działają te baterie? Naukowcy i inżynierowie spędzili całe kariery próbując zbudować lepsze baterie i wciąż istnieją tajemnice, których nie do końca rozumiemy. Ulepszanie baterii wymaga od chemików i fizyków przyjrzenia się zmianom na poziomie atomowym, a także inżynierów mechaników i elektryków, którzy mogą zaprojektować i zmontować akumulatory zasilające urządzenia. Jako materiałoznawca z University of Washington i Pacific Northwest National Lab, moja praca pomogła zbadać nowe materiały do baterii litowo-powietrznych, baterii magnezowych i oczywiście baterii litowo-jonowych.
Rozważmy dzień z życia dwóch elektronów. Nazwiemy jednego z nich Alex i ma przyjaciela o imieniu George.
Anatomia baterii
Alex mieszka w standardowej alkalicznej baterii AA, na przykład w latarce lub pilocie zdalnego sterowania. Wewnątrz baterii AA znajduje się komora wypełniona i druga wypełniona tlenkiem manganu. Na jednym końcu tylkosłabo trzyma się elektronówjak Alex. Z drugiej strony tlenek manganupotężnie ciągnieelektrony w kierunku siebie. Pomiędzy, powstrzymując elektrony przed przejściem bezpośrednio z jednej strony na drugą, jest kawałek papieru nasączony roztworem potasu i wody, które współistnieją jako dodatnie jony potasu i ujemne jony wodorotlenkowe.
Po włożeniu baterii do urządzenia i włączeniu wewnętrzny obwód urządzenia jest zakończony. Alex zostaje wyciągnięty z, przez obwód i do tlenku manganu. Po drodze jego ruch zasila urządzenie, żarówkę lub cokolwiek innego podłączonego do baterii. Kiedy Alex odchodzi, nie może wrócić:, który stracił elektron, wiąże się z wodorotlenkiem, tworząc tlenek. Związek ten jest niezwykle stabilny i nie można go łatwo przekształcić z powrotem w.
Po drugiej stronie baterii tlenek manganu zyskuje atom tlenu z wody i pozostawia jony wodorotlenkowe, aby zrównoważyć wodorotlenek zużywany przez. Gdy wszyscy sąsiedzi Alexa opuszczą i przejdą do tlenku manganu,bateria jest wyczerpanai wymaga recyklingu.
Zalety litowo-jonowe
Porównajmy to do George'a, który żyje w baterii litowo-jonowej. Baterie litowo-jonowe mają te same podstawowe elementy składowe, co alkaliczne ogniwa AA, z kilkoma różnicami, które dają główne zalety.
George żyje w graficie, który jest jeszcze słabszy niż w utrzymywaniu elektronów. A drugą częścią jego baterii jest tlenek litowo-kobaltowy, który ciągnie elektrony znacznie silniej niż tlenek manganu - co daje jego baterii zdolność do przechowywania znacznie większej ilości energii w tej samej ilości miejsca niż bateria alkaliczna. Roztwór oddzielający grafit i tlenek litowo-kobaltowy zawiera dodatnio naładowane jony litu, które łatwo tworzą i rozrywają wiązania chemiczne podczas rozładowywania i ładowania akumulatora.
