Juba rohkem kui kümme aastat on teadlased proovinud liitium-ioon patareide omadusi parandada, proovides ühte grafiidist klemmi asendada ränist klemmiga, mis suudab salvestada 10 korda rohkem laengut. Pärast kõigest paari laadumis- ja tühjenemistsüklit ränistruktuur aga laguneb, muutes patarei kasutuks.
Uus kaheseinaline räni-nanotoru anood valmib kavalas neljaastmelises protsessis: Esmalt valmistatakse polümeerist nanokiud (rohelised), mis seejärel üles soojendatakse (nii õhuga kui ka ilma), kuni neist jääb alles vaid süsinik (must). Räni (helesinine) kantakse süsinikukiudude pinnale. Viimaks eemaldab õhus soojendamine süsiniku ning tekitab toru ja ka kinnituva oksiidkihi (punane). Pilt: Hui Wu, Stanford, ja Yi Cui
Nüüd õnnestus aga Stanfordi Ülikooli ja SLAC’i materjaliteadlase Yi Cui juhitud uurimusrühmal sellele lahendus leida: kavalalt valmistatud kaheseinaline nanostruktuur, mis kestab rohkem kui 6000 tsüklit – palju rohkem, kui elektrisõidukite või kaasaskantava elektroonika jaoks üldse tarviski on, kirjutab Physorg.com.
,,See on väga huvitav samm edasi meie eesmärgi suunas, milleks on valmistada väiksemaid, kergemaid ning kauakestvamaid patareisid,” lausus Cui.
Liitium-ioon patareisid kasutatakse igasuguste seadmete elektriga varustamiseks, nende seas nii elektrisõidukid kui ka kaasaskantav elektroonika, sest need suudavad salvestada suhteliselt väikese ja kerge seadme kohta võrdlemisi suures koguses energiat. Patarei töötab, kontrollides liitiumi ioonide voolu läbi elektrolüüdist vedeliku patarei kahe klemmi vahel, mida nimetatakse anoodiks ja katoodiks.
Räni kasutamise perspektiivikus ja ka häda tuleneb viisist, kuidas liitiumi ioonid anoodiga laadumistsükli jooksul ühenduvad. Kuni neli liitiumi aatomit seonduvad räni anoodi iga aatomiga, võrreldes vaid ühega iga kuue süsiniku aatomi kohta praeguses grafiitanoodis, võimaldades nii palju rohkem laengut salvestada.
See aga suurendab anoodi ruumala kuni neli korda selle algsest ruumalast. Lisaks reageerib osa elektrolüüdist räniga, kattes selle ning takistades edasist laadumist. Kui liitium tühjendamistsükli jooksul anoodilt ära liigub, kahaneb see oma esialgse ruumalani ning kate mõraneb, paljastades elektrolüüdile puhta ränipinna.
Kõigest paari tsükli jooksul hävitab see paisumis-kahanemispinge koos elektrolüüdi rünnakuga anoodi protsessi, mida nimetatakse dekrepitatsiooniks.
Viimase viie aasta jooksul on Cui töörühm ränianoodide vastupidavust järjepidavalt suurendanud, valmistades neid näiteks nanojuhtmetest või õõnsatest räni nanoosakestest. Viimane struktuur koosneb aga kaheseinalisest räni-nanotorust, mida katab õhuke kiht ränioksiidi – väga tugev keraamiline materjal.
See tugev väliskiht hoiab ära nanotoru väliskihi paisumise, tänu millele see see paigal püsib. Selle asemel paisub räni ohutult hoopiski oma sisemusse, mis on lisaks liiga väike, et elektrolüüdi molekulid sellesse siseneda saaksid. Pärast esimest laadumistsüklit suudab see töötada rohkem kui 600o tsükli jooksul 85% mahtuvusega.
Cui sõnul on tulevaste uurimuste eesmärgiks lihtsustada nende kaheseinaliste räni-nanotorude valmistusmeetodit. Uurimisgrupi teised liikmed töötavad välja uut kõrge efektiivsusega katoodi, et kombineerida seda uue anoodiga, valmistades nii tänapäevastest liitium-ioon patareidest viis korda parema patarei.
Leave a Reply