Mažas dydis, didžiulė galia: Ličio baterijų - anglies nanovamzdelių laidžios pastos „laidaus mago“ pristatymas
Kai stebitės deginančiu elektrinių transporto priemonių pagreičiu arba mėgaukitės visą-išmaniojo telefono baterijos veikimo laiku, ar kada susimąstėte, kas skatina šių ličio-jonų baterijų energiją? Atsakymas slypi iš pažiūros nereikšmingame, bet esminiame akumuliatoriaus - laidžiosios medžiagos vaidmenyje. O pagrindinė šių dienų veikėja – anglies nanovamzdelių laidi pasta – šioje srityje iškyla kaip „kylanti žvaigždė“, tyliai inicijuojanti energetinių medžiagų revoliuciją.
Evoliucija nuo „juodųjų miltelių“ iki „nanovidų“
Tradicinėse ličio-jonų baterijose dažniausiai naudojamas laidus agentas yra suodžiai (pvz., Super-P), kuri yra „nulinio-matmens“ granuliuotos medžiagos tipas. Jie yra tarsi mažyčiai stalo teniso kamuoliukai, išsibarstę tarp aktyviųjų elektrodų medžiagų (tokių kaip ličio geležies fosfatas, trinarės medžiagos). Nors jie gali užtikrinti tam tikrą laidų kelią, šis „taško-į-tašką“ kontakto metodas yra neefektyvus, kaip ir pasikliauti mažais laiveliais plaukiant tarp izoliuotų salų.
Anglies nanovamzdelių atsiradimas šią situaciją visiškai pakeitė. Anglies nanovamzdeliai, kaip „vienamatė“ nanomedžiaga, gali būti aiškiai suprantami kaip mažyčiai tuščiaviduriai vamzdeliai, suformuoti susisukant grafenui. Jų skersmuo yra tik keli nanometrai, o ilgis gali siekti kelias dešimtis mikrometrų, o ilgio -ir-skersmens santykis didesnis nei 1000:1. Iš jos pagaminta anglies nanovamzdelio laidžioji pasta yra stabili laidži pasta, susidaranti tolygiai paskirstant šiuos nematomus „nano mastelio kabelius“ tirpiklyje.
Kodėl jis vadinamas „Išrinktuoju“?
Priežastis, kodėl anglies nanovamzdeliai išsiskyrė laidžių medžiagų srityje, slypi jiems būdingose išskirtinėse savybėse:
Trimačio{0}}laidaus tinklo sukūrimas: dėl itin didelio kraštinių santykio anglies nanovamzdeliai neegzistuoja atskirai, kaip suodžiai. Jie gali susijungti vienas su kitu per elektrodą, sudarydami trijų-dimensijų laidų tinklą, kryžminį kaip greitkelio tinklą. Šis tinklas glaudžiai sujungia aktyviosios medžiagos daleles, žymiai padidindamas elektronų perdavimo efektyvumą.
Itin mažas įpilamas kiekis, itin didelis efektyvumas: Norint pasiekti gerų rezultatų, tradicinių suodžių laidžiųjų medžiagų reikia pridėti daug daugiau (apie 3%). Tačiau anglies nanovamzdeliai dėl labai efektyvaus laidaus tinklo paprastai tereikia pridėti 0,5 % - 1.5%. Ką tai reiškia? Tai reiškia, kad daugiau vietos galima rezervuoti aktyvioms medžiagoms, kurios tikrai kaupia energiją, taip tiesiogiai padidinant baterijos energijos tankį.
Galutinis „taškinės-linijos-plokštumos“ derinys: pažangiausia-technologija šiuo metu apima anglies nanovamzdelių ir grafeno derinį (dvimatė lakštinė medžiaga). Anglies nanovamzdeliai (linijos) yra įsiterpę tarp grafeno (plokštumos) ir aktyviųjų dalelių (taškų), sudarydami puikų taškinį-liniją-trimatį{7}}laidų kontaktą. Šios sudėtinės laidžiosios medžiagos laidumas yra daugiau nei 40 kartų didesnis nei tradicinės suodžių, o poveikis yra nuostabus.
Ne tik laidumas: visapusiškas našumo tobulinimas
Baterijos, į kurias pridėta laidžios anglies nanovamzdelių pastos, suteikia daug daugiau naudos:
Įtampos santykio našumas žymiai pagerėjo: įkraunant ir iškraunant didelę-srovę, efektyvus laidus tinklas leidžia greitai praeiti elektronams, todėl akumuliatorius veikia puikiai, esant greitam-įkrovimui. Tuo pačiu metu jis žymiai sumažina temperatūros kilimą ant akumuliatoriaus paviršiaus (tyrimai parodė, kad jį galima sumažinti beveik 20 laipsnių), taip pagerinant saugumą.
Ilgesnis ciklo eksploatavimo laikas: stabilus laidus tinklas padeda išlaikyti elektrodo struktūros vientisumą įkrovimo ir iškrovimo metu, sumažina aktyviųjų medžiagų susmulkinimą ir atsiskyrimą, todėl akumuliatorius tampa „ilgesnis{0}}“.
Žymiai sumažintas vidinis pasipriešinimas: sklandus elektroninis kelias reiškia, kad akumuliatorius prarandamas mažiau, o transporto priemonėms ar mobiliesiems įrenginiams naudojama daugiau energijos.
Rinkos bumas: Kinijos valdžia nustato tendenciją
Sparčiai augant naujoms energiją naudojančioms transporto priemonėms ir energijos kaupimui, anglies nanovamzdelių laidžių pastų rinka įžengė į aukso amžių. Duomenys rodo, kad jau 2018 metais Kinijos anglies nanovamzdelių laidžios pastos siuntos pasiekė 32 500 tonų, o tai sudaro 94,5% pasaulinės rinkos, todėl ji yra absoliuti lyderė. Pastaraisiais metais ši rinka toliau plėtėsi. Mokslinių tyrimų institucijų duomenimis, pasaulinė anglies nanovamzdelių CNT laidžių pastų rinka 2024 m. turėtų sudaryti maždaug 6,09 milijardo juanių, o iki 2031 m. ji sieks 32,02 milijardo juanių, o metinis augimo tempas sieks 26,9%.
Kainos sumažėjimas taip pat paskatino platų{0}} jos pritaikymą. Brandėjant gamybos procesams, anglies nanovamzdelių laidžios pastos kaina gerokai sumažėjo. Šiuo metu spartėja tradicinės suodžių pakeitimas baterijų energijos srityje.
Iššūkiai ir ateitis
Nors perspektyvos yra daug žadančios, anglies nanovamzdelių laidžios pastos taip pat susiduria su „augimo skausmais“. Didžiausias techninis iššūkis yra sklaida. Dėl didelio specifinio paviršiaus ploto ir stiprių tarpmolekulinių jėgų anglies nanovamzdeliai yra linkę aglomeruotis ir įsipainioti. Kaip tolygiai ir stabiliai išsklaidyti jas tirpiklyje nepažeidžiant jų struktūros – tai yra raktas į kiekvieno gamintojo pagrindinių technologijų testavimą.
Šiuo metu pagrindinės laidžios pastos yra suskirstytos į dvi kategorijas: aliejaus (naudojant NMP kaip tirpiklį) ir vandens (naudojant vandenį kaip tirpiklį) pagrindu, atitinkančius skirtingus elektrodų gamybos procesus. Ateityje, populiarėjant didelio energijos tankio technologijoms, pvz., silicio-anglies neigiamiems elektrodams, efektyvių laidžių tinklų paklausa dar labiau padidės, o anglies nanovamzdelių laidžių pastų taikymo sritis bus dar platesnė.
Išvada
Nuo daugybės mažų vamzdelių mikroskopiniame pasaulyje iki makroskopinio pasaulio ratų sukimosi – anglies nanovamzdelių laidžioji pasta puikiai įkūnija mokslinį „mažų medžiagų, puikių pasiekimų“ žavesį. Tai ne tik „magas“, kuris pagerina akumuliatoriaus veikimą, bet ir nepakeičiama paslėpta jėga mūsų kelyje į elektros ateitį. Kitą kartą, kai mėgausitės nešiojamos energijos teikiamu patogumu, galbūt norėsite pagalvoti apie šiuos „nano mastelio kabelius“, kurie veikia tyliai.