Una ricarica completa in 18 secondi? ! Non dovrai più preoccuparti di uscire di casa e rimanere senza batteria...

Telefoni cellulari, computer, tablet, ecc. che utilizzano batterie come fonte di energia sono diventati parte della nostra vita e sempre più persone iniziano a soffrire di "ansia da elettricità", allo stesso tempo, la crescente popolarità dei veicoli a nuova energia ha ha reso sempre più difficile per le persone caricare batterie lunghe - più velocemente! Carica la batteria un po' più velocemente! Questo è diventato il desiderio comune di tutti.

Questo desiderio potrebbe presto realizzarsi. Recentemente, il team di Song Li, professore presso il Laboratorio nazionale di radiazione di sincrotrone dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, ha sviluppato una batteria con capacità di ricarica rapida.

 

Oggi parleremo più approfonditamente di questa ricerca.

 

La batteria agli ioni di litio è un dispositivo di accumulo di energia ampiamente riconosciuto. Con i vantaggi dell’elevata densità di energia e dell’ampio intervallo di temperature operative, le batterie agli ioni di litio hanno occupato la stragrande maggioranza delle batterie commerciali. Tuttavia, l’elettrolita organico utilizzato ha un certo danno per il corpo umano e la carenza di risorse di litio porterà in futuro alla carenza di mercato delle batterie.

 

La batteria agli ioni di zinco, come nuovo talento nel campo dello stoccaggio dell'energia, non solo ha un'elevata densità di energia teorica, ma ha anche un elettrolita d'acqua non tossico, garantendo una produzione e un'applicazione sicure ed efficienti. Inoltre, le risorse di zinco economiche e abbondanti riducono notevolmente anche il costo di utilizzo delle batterie e si prevede che in futuro diventeranno un potenziale sostituto delle batterie agli ioni di litio.

Anche se esistono molte differenze nell'uso dei materiali, lo stato di funzionamento delle batterie agli ioni di zinco e delle batterie agli ioni di litio nel processo di carica e scarica è molto simile.

 

Il materiale catodico della batteria è spesso stratificato: durante il processo di scarica della batteria, gli ioni di litio (o ioni zinco) verranno incorporati nello strato di materiale catodico per la conservazione; Durante il processo di ricarica della batteria, gli ioni di litio (o ioni di zinco) fuoriescono dallo strato di materiale positivo e ritornano all'elettrodo negativo.

In generale, il principio di funzionamento della batteria è un processo di migrazione ionica e trasferimento di elettroni.

Il principio della ricarica rapida della batteria

Quindi, in questa ricerca scientifica, come si ottiene la ricarica rapida della batteria?

 

1. Ampliare i canali di trasporto degli ioni

 

Come accennato in precedenza, il processo di carica e scarica delle batterie agli ioni di zinco è un processo di migrazione ionica continua. Se si desidera immagazzinare la massima capacità della batteria in un breve periodo di tempo, è necessario creare un ampio spazio di stoccaggio per gli ioni di zinco.

 

Innanzitutto, i ricercatori si sono concentrati su materiali stratificati di pentossido di vanadio con struttura spaziale regolabile. Il materiale stratificato di pentossido di vanadio è strutturato come se fosse disposto da più piastre parallele. Per aumentare la distanza tra gli strati del materiale catodico stratificato, è possibile pre-intercalare ioni ammonio più grandi. Questo serve per aggiungere in anticipo alcuni pilastri tra questi strati per aumentare la spaziatura tra gli strati.

 

Con il supporto degli ioni di ammonio, gli ioni di zinco possono migrare più facilmente nel materiale dell'elettrodo positivo e lo spazio interstrato più ampio può anche migliorare efficacemente la capacità di accumulo di energia della batteria.

 

 

2. Dalla regolazione dell'occupazione orbitale all'accelerazione del trasferimento di elettroni

È importante sapere che il processo di accumulo dell’energia della batteria è strettamente correlato alla migrazione degli ioni e al trasferimento degli elettroni. Quando gli ioni di zinco entrano nello strato del materiale catodico per l'immagazzinamento, anche alcuni elettroni verranno trasferiti al materiale catodico per mantenere l'equilibrio di carica complessivo. Pertanto, è anche molto importante studiare l'influenza degli ioni intercalati sulla struttura elettronica dei materiali stratificati.

 

Tuttavia, i metodi di test convenzionali sono difficili da esplorare chiaramente le strutture atomiche ed elettroniche interne dei materiali. Pertanto, per il rilevamento sono necessarie tecniche più avanzate di caratterizzazione della radiazione di sincrotrone. In poche parole, la tecnologia della radiazione di sincrotrone può essere intesa come una versione migliorata del “super microscopio”, che utilizza la sua elevata luminosità e le caratteristiche di banda larga per vedere la struttura interna della materia.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno studiato i cambiamenti dell'occupazione orbitale atomica nel materiale del pentaossido di vanadio dopo l'inserimento di pilastri di ioni di ammonio tra gli strati e l'evoluzione reversibile del processo di carica e scarica.

 

Qui introduciamo innanzitutto il concetto base di struttura elettronica.

 

Per gli elementi con elettroni extranucleari, i loro elettroni non sono disordinati, ma disposti in orbite. Inoltre gli elettroni occupano sempre prima gli orbitali di energia più bassa, cioè i nuclei al centro, disposti dall'interno verso l'esterno.

 

Per il vanadio, la disposizione degli elettroni di valenza è mostrata sotto, con cinque elettroni di valenza nello strato esterno. Nel pentossido di vanadio, tutti e cinque gli elettroni vengono utilizzati per legarsi con gli atomi di ossigeno. A questo punto, l'orbitale 3d del vanadio è l'orbitale vuoto non occupato dagli elettroni.

 

 

3. La doppia regolazione della struttura cristallina e della struttura elettronica fa sì che la ricarica rapida e il ciclo stabile diventino realtà

Quando si utilizza questo nuovo materiale catodico, la batteria agli ioni di zinco raggiunge una capacità di 101 mAh/g con una densità di corrente di 200°C e la carica richiede solo 18 secondi. Allo stesso tempo, l'elettrolita dell'acqua garantisce anche la sicurezza del processo di circolazione e riduce l'inquinamento dell'ambiente.

 

In questo documento, la spaziatura degli strati e lo stato di occupazione orbitale dei materiali stratificati sono progettati e regolati dalla struttura cristallina e dalla struttura elettronica dei materiali. Allo stesso tempo, combinato con i mezzi avanzati di caratterizzazione della radiazione di sincrotrone, l'evoluzione della struttura del materiale è più intuitiva e chiara, in modo che sia possibile il materiale dell'elettrodo positivo con caratteristiche di carica rapida.

 

Forse nel prossimo futuro tali materiali potranno essere utilizzati nei prodotti elettronici e persino nei trasporti pubblici. La significativa riduzione dei tempi di ricarica può rendere la vita delle persone più efficiente e conveniente; I materiali sicuri e puliti delle batterie possono anche ridurre l’impatto sull’ambiente. Credi che la tecnologia renderà quel giorno non lontano.