Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Dzięki anodzie z MIT powstaną bardziej pojemne i wytrzymałe akumulatory do smartfonów

Recommended Posts

Nowa elektroda, opracowana na MIT, pozwoli na zbudowanie akumulatorów, które przechowują więcej energii i pracują dłużej. Litowa anoda to efekt współpracy naukowców z MIT ze specjalistami z Hongkongu, Florydy i Teksasu.

Jednym z największych problemów ze współczesnymi akumulatorami wynika z faktu, że w miarę ładowania akumulatora lit się rozszerza, a podczas rozładowywania kurczy się. Te ciągłe zmiany rozmiarów prowadzą do pękania lub odłączania się elektrolitu. Inny problem stanowi fakt, że żaden z używanych stałych elektrolitów nie jest tak naprawdę chemicznie stabilny w kontakcie z wysoko reaktywnym litem, ulega więc degradacji.

Większość badań, mających na celu rozwiązanie tych problemów, poszukuje stabilnego elektrolitu. To jednak jest trudne.
Naukowcy z MIT podeszli do problemu inaczej. Wykorzystali dwa dodatkowe materiały. Jeden nazwali „zmieszanymi przewodnikami jonowo-elektronicznymi” (MIEC), a drugi to „izolatory elektronu i jonu litowego” (ELI).

Uczeni stworzyli trójwymiarową nanostrukturę przypominająca plaster miodu. Została ona zbudowana z heksagonalnych rurek MIEC częściowo wypełnionych litem. W każdej z rurek pozostawiono nieco wolnego miejsca. Gdy lit się rozszerza podczas ładowania, wypełnia puste miejsca w rurkach, poruszając się jak ciecz, mimo że zachowuje przy tym krystaliczną strukturę ciala stałego. Przepływ ten łagodzi naprężenia powstające podczas rozszerzania się litu, ale jednocześnie nie powoduje ani zmiany zewnętrznych rozmiarów elektrody, ani zmiany jej styku z elektrolitem. Drugi zaś ze wspomnianych materiałów, ELI, jest kluczowym mechanicznym łączem pomiędzy ściankami MIEC a stałym elektrolitem.

Rozszerzający się i kurczący lit przemieszcza się tak, że nie wywiera nacisku na elektrolit, więc go nie niszczy. Twórcy anody porównują to do tłoków poruszających się w cylindrach. Jako, że całość jest jest zbudowana w skali nano, a każda z rurek ma średnicę 100-300 nanometrów, całość jest jak silnik z 10 miliardami tłoków, mówi główny autor badań, profesor Ju Li.

Jako, że ścianki całej struktury wykonano z chemicznie stabilnego MIEC, lit nigdy nie traci kontaktu z materiałem. Cały akumulator pozostaje więc mechanicznie i chemiczne stabilny, dodaje Li. Naukowcy przetestowali swoją anodę podczas 100 cykli ładowania/rozładowywania i wykazali, że w elektrolicie nie powstały żadne pęknięcia.

Naukowcy twierdzą, że ich projekt pozwoli na stworzenie akumulatorów litowych, w których anoda będzie 4-krotnie lżejsza na jednostkę pojemności niż obecnie. Jeśli dodamy do tego nowe pomysły na lżejszą katodę, całość może prowadzić do znaczącego obniżenia wagi akumulatora. Dzięki nowemu akumulatorowi nowoczesne smartfony można by ładować raz na 3 dni.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Nowa elektroda, opracowana na MIT, pozwoli na zbudowanie akumulatorów, które przechowują więcej energii i pracują dłużej.

Pozwoli, albo i nie, ale w końcu słyszymy o takich "przełomach" już dobre parę dziesiątków lat... :(

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Jednym z największych problemów ze współczesnymi akumulatorami wynika z faktu, że w miarę ładowania akumulatora lit się rozszerza, a podczas rozładowywania kurczy się. Te ciągłe zmiany rozmiarów prowadzą do pękania lub odłączania się elektrolitu.

Faktem jest, że z entropią nikt jeszcze nie wygrał, i jakoś dziwi mnie podnoszenie tego na na KW.

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Jako, że całość jest jest zbudowana w skali nano, a każda z rurek ma średnicę 100-300 nanometrów, całość jest jak silnik z 10 miliardami tłoków, mówi główny autor badań, profesor Ju Li.

Nie. Nie jest jak silnik, ale nie oczekuję, że każdy profesor rozumie odpowiednio termodynamikę... Bywa.

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Naukowcy przetestowali swoją anodę podczas 100 cykli ładowania/rozładowywania i wykazali, że w elektrolicie nie powstały żadne pęknięcia.

100??? Czuję się przygnieciony wymiarami tej "praktycznej" interpolacji.

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Naukowcy twierdzą, że ich projekt pozwoli na stworzenie akumulatorów litowych, w których anoda będzie 4-krotnie lżejsza na jednostkę pojemności niż obecnie.

Trzymam kciuki. Jeśli twierdzą, a nie patentują, to widać czegoś im brakuje; ten brak nazywa się zwykle brakiem kasy, czyli szukaniem łosi.

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Jeśli dodamy do tego nowe pomysły na lżejszą katodę, całość może prowadzić do znaczącego obniżenia wagi akumulatora.

MOŻE to słowo klucz. Polecam.

3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Dzięki nowemu akumulatorowi nowoczesne smartfony można by ładować raz na 3 dni.

Mam nowoczesny smartfon, aku 4,5 Ah i też ładuję raz na trzy dni. Powoli, spokojnie, bez "szybkiej ładowarki" i bez zbędnych idiotyzmów.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Fajnie by było gdyby którykolwiek z ogłaszanych od kilkunastu lat przełomów wreszcie został zrealizowany.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przenośna konsola, która umożliwia nieograniczenie długą rozgrywkę, bez potrzeby wymiany czy ładowania akumulatora, to marzenie wielu graczy. Urządzenie takie powstało właśnie dzięki współpracy naukowców z amerykańskiego Northwestern University i holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft. Prototyp konsoli podobnej do Game Boya to model badawczy, który posłuży do dalszych prac nad elektroniczną rozrywką bez baterii czy akumulatorów.
      Akumulatory i baterie są kosztowne i niezwykle szkodliwe dla środowiska naturalnego. Stąd też pomysł, by z nich zrezygnować. Twórcy wspomnianego prototypu postanowili wykorzystać energię słoneczną oraz energię dostarczaną przez samego użytkownika.
      To pierwsze nieposiadające baterii urządzenie interaktywne, które czerpie energię z działań użytkownika. Gdy naciskasz przycisk, urządzenie zmienia twoje działanie w energię, którą się zasila, mówi współautor badań, Josiah Hester z Northwestern. Zrównoważona rozrywka elektroniczna będzie kiedyś oczywistością, a my – pozbywając się akumulatorów – uczyniliśmy ważny krok w tym kierunku, dodaje Przemysław Pawelczak z Delft.
      Naukowcy zmodyfikowali Game Boyja dodając wokół ekranu panele fotowoltaiczne. Drugim źródłem energii jest sam użytkownik i naciskane przez niego przyciski. Zaprojektowane od podstaw urządzenie pozwala na uruchomienie dowolnej klasycznej gry zapisanej na kartridżach Game Boya.
      W momencie gdy urządzenie przełącza się pomiędzy źródłami energii, doświadcza krótkotrwałej utraty zasilania. Naukowcy, by upewnić się, że czas gry pomiędzy takimi wyłączeniami będzie akceptowalnie długi, zaprojektowali swoją konsolę tak, by jak najbardziej oszczędzała ona energię. Stworzyli też nową technikę zapisywania stanu gry w pamięci nieulotnej, dzięki której zminimalizowali koszty układu pamięci oraz skrócili czas ponownego ładowania gry po odzyskaniu zasilania. Użytkownik nie musi naciskać przycisku „zachowaj”. Stan gry zapisywany jest dokładnie w momencie, w którym doszło do utraty zasilania.
      Gdy dzień nie jest zbyt pochmurny, a gra wymaga co najmniej średniej liczby naciśnięć przycisków, utrata zasilania przydarza się rzadziej niż co 10 sekund i trwa około sekundy. Naukowcy stwierdzili, że jest to wystarczające rozwiązanie, by cieszyć się takimi grami jak szachy, pasjans czy Tetris. Z pewnością jednak będzie to przeszkadzało przy bardziej dynamicznych grach.
      Oczywiście przed naukowcami jeszcze bardzo długa droga, zanim z tak prostego prototypu uczynią wygodną w użyciu pozbawioną akumulatorów i baterii przenośną konsolę pozwalającą na korzystanie z dowolnych gier. Uczeni mają jednak nadzieję, że ich prace zwiększą świadomość konsumentów w obliczu szybko rozwijającego się Internet of Things. Otaczamy się coraz większą liczbą niewielkich gadżetów, zużywając przy tym coraz więcej baterii i akumulatorów, które w końcu trafiają na wysypiska śmieci, zanieczyszczając glebę, wodę i powietrze.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Często i mało, czy rzadko, ale do syta? Gdyby chodziło o dietę, większość specjalistów postawiłaby na odpowiedź 1, ale w przypadku magazynowania energii jest odwrotnie. Okazuje się, że więcej można jej zmieścić ładując rzadko, ale do pełna.Taki przynajmniej wniosek płynie z badań przeprowadzonych przez zespół naukowców IChF PAN.
      Doświadczenia dotyczyły co prawda wyidealizowanych, dwuwymiarowych układów sieciowych, ale w końcu zasada to zasada. Dr Anna Maciołek, jedna z autorów pracy opublikowanej w Physical Review opisuje ją tak: Chcieliśmy zbadać, jak zmienia się sposób magazynowania energii w układzie,  gdy  pompujemy  do  niego  energię  w  postaci  ciepła,  innymi  słowy – lokalnie  go podgrzewamy.
      Wiadomo,  że ciepło  w  układach  się  rozprzestrzenia, dyfunduje.  Ale czy na gromadzenie energii ma wpływ sposób jej dostarczania; fachowo mówiąc „geometria podawania”? Czy ma znaczenie, że podajemy dużo energii w krótkim czasie i potem długo nic, i znowu dużo energii, czy też gdy podajemy malutkie porcje  tej energii, ale za to jedna po drugiej, niemal bez przerw?
      Cykliczne podawanie energii jest bardzo powszechne w naturze. Sami dostarczamy jej sobie w ten sposób, jedząc. Tę samą liczbę kalorii można dostarczyć w jednej lub dwóch dużych porcjach zjadanych w ciągu doby, albo rozbić ją na 5-7 mniejszych posiłków, między którymi są krótsze przerwy. Naukowcy wciąż się spierają, który  sposób jest dla organizmu lepszy. Jeśli jednak  chodzi o dwuwymiarowe układy sieciowe, to już wiadomo, że pod względem efektywności magazynowania wygrywa metoda „rzadko a dużo”.
      Zauważyliśmy, że w zależności od tego, w jakich porcjach i jak często podajemy energię, ilość, jaką układ potrafi zmagazynować, zmienia się. Największa jest wtedy, gdy porcje energii są duże, ale odstępy czasowe między ich podaniem też są długie, wyjaśnia Yirui Zhang, doktorantka w IChF PAN. Co ciekawe, okazuje się, że gdy taki układ magazynujący podzielimy wewnętrznie na swego rodzaju przedziały, czy też komory, to ilość energii możliwej do zmagazynowania w takim podzielonym ‘akumulatorze’ – o ile bylibyśmy go w stanie skonstruować – wzrośnie. Innymi słowy, trzy małe baterie zmagazynują więcej energii niż jedna duża, precyzuje badaczka. Wszystko to przy założeniu, że całkowita ilość wkładanej do układu energii jest taka sama, zmienia się tylko sposób jej dostarczania.
      Choć badania prowadzone przez zespół IChF PAN należą do podstawowych i ukazują po prostu fundamentalną  zasadę  rządzącą magazynowaniem energii w magnetykach, ich potencjalne zastosowania  są  nie do  przecenienia.  Wyobraźmy  sobie  np.  możliwość  ładowania  baterii elektrycznego samochodu nie w kilka godzin, lecz w kilkanaście minut albo znaczące zwiększenie pojemności  takich  akumulatorów  bez  zmiany  ich  objętości,  czyli  wydłużenie  zasięgu  auta  na jednym ładowaniu.  Nowe  odkrycie  może  też  w  przyszłości  zmienić  sposoby  ładowania  baterii różnego typu poprzez ustalenie optymalnej periodyczności dostarczania do nich energii

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nie chcąc złapać kleszcza, lepiej nie brać ze sobą telefonu na piknik w parku czy bieganie po lesie. Najnowsze badania polsko-słowackie pokazują, że kleszcze - zwłaszcza będące nosicielami groźnych patogenów - są przyciągane przez promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 900 MHz.
      Od dziesięcioleci na obszarze Europy i nie tylko obserwuje się rozszerzanie zasięgu występowania wielu gatunków kleszczy. Spotyka się je nawet w samym środku dużych miast, gdzie na terenach zielonych czekają na ludzi i ich pupili.
      Za zwiększenie liczebności kleszczy odpowiadają przede wszystkim zmiany klimatu i przekształcanie krajobrazu. Z najnowszych badań zespołu polsko-słowackiego wynika jednak, że za rozszerzanie zasięgu występowania kleszczy może być też odpowiedzialne coraz powszechniejsze w środowisku promieniowanie elektromagnetyczne (EMF), którego źródłem są stacje radiowe, telewizyjne, telefonii komórkowej i liczne urządzenia mobilne - informuje Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu.
      Wiele osób nie rozstaje się ze smartfonem i innymi urządzeniami elektronicznymi przez niemal całą dobę. Mało kto zdaje sobie jednak sprawę z tego, że emitowane przez nie EMF nie pozostaje obojętne dla organizmu - podkreślono w informacji przesłanej PAP.
      Jak przypomniano, dotychczas naukowcy odkryli negatywny wpływ promieniowania elektromagnetycznego na dziesiątki gatunków bakterii, zwierząt i roślin. EMF oddziałuje na komórki, jak i całe organizmy zwierząt i ludzi, powodując m.in. aktywację stresu oksydacyjnego, zmianę metabolizmu komórkowego, zakłócanie aktywności niektórych enzymów, zmianę odpowiedzi immunologicznych, wpływanie na ekspresję DNA oraz zakłócanie funkcji układu nerwowego, sercowo-naczyniowego i rozrodczego. Utworzono nawet określenie „zanieczyszczenie elektromagnetyczne”, mające podkreślać wszechobecność tego czynnika w środowisku i jego wpływ na organizmy.
      Najnowsze badania naukowe udowodniły, że pole elektromagnetyczne oddziałuje również na kleszcze, przyciągając je niczym magnes. Co ciekawsze, zakażenie niebezpiecznymi bakteriami sprawia, że EMF jest dla kleszczy jeszcze bardziej atrakcyjne. Wyniki badań na ten temat opublikowano właśnie w specjalistycznym czasopiśmie Ticks and Tick-borne Diseases. Pierwszą autorką pracy jest Martyna Frątczak, studentka weterynarii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. W jej powstanie było zaangażowanych osiem osób z sześciu instytucji naukowych (wspomniany Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Uniwersytet Szczeciński i Uniwersytet Zielonogórski – po stronie polskiej, oraz Uniwersytet Szafarika, Uniwersytet Techniczny i Uniwersytet Weterynaryjny ze słowackich Koszyc).
      Badane zagadnienie jest niezwykle interdyscyplinarne, stąd niezbędna była współpraca przedstawicieli wielu dyscyplin: lekarzy weterynarii, parazytologów, inżynierów – elektryków i wreszcie biologów znających się na zaawansowanych statystykach – podsumował prof. Piotr Tryjanowski z UPP.
      Autorzy badań sprawdzali, jak EMF wpływa na zachowania kleszcza pospolitego Ixodes ricinus, znanego przede wszystkim z przenoszenia boreliozy (za co odpowiadają bakterie z rodzaju Borrelia), ale także riketsjozy (powodowana przez bakterie z rodzaju Rickettsia), czy odkleszczowego zapalenie mózgu (powodowane przez wirusy). Przeprowadzone analizy wykazały, że kleszcze są wręcz przyciągane przez promieniowanie o częstotliwości 900 MHz. To długość promieniowania standardowo wykorzystywana w większości urządzeń mobilnych, w tym smartfonach.
      Co jeszcze bardziej zaskakujące, w kierunku promieniowania EMF podążają chętniej kleszcze zainfekowane bakteriami z rodzajów Borrelia oraz Rickettsia – donoszą naukowcy.
      Dlaczego kleszcze w ogóle reagują na promieniowanie elektromagnetyczne? Najprawdopodobniej związane jest to z posiadaniem przez nie zmysłu magnetycznego – powszechnego w świecie zwierząt szóstego zmysłu, który wyewoluował w odpowiedzi na ziemskie siły pola geomagnetycznego. Sztuczne promieniowanie elektromagnetyczne może ten zmysł zaburzać i zwiększać ruchliwość kleszczy. Ponadto podejrzewa się, że naturalne promieniowanie elektromagnetyczne – które jest w pewnym, drobnym stopniu wytwarzane przez każdy żywy organizm – pomaga kleszczom wykrywać odpowiednich żywicieli – sugerują naukowcy. Nie wiadomo jednak, na ile mogłaby być to przydatna funkcja, kleszcze opierają się bowiem w wyborze żywiciela głównie na wskazówkach węchowych, wykrywając również wilgoć, ciepło i dwutlenek węgla nadchodzącego potencjalnego gospodarza.
      Sami autorzy badania przyznają, że kolejną zagadką jest wpływ bakterii, których nosicielami są kleszcze, na reakcję na promieniowanie elektromagnetyczne. Początkowo może się to wydawać absurdalne, warto jednak zauważyć, że kleszcze ko-ewoluują ze swoimi patogenami od tysięcy lat. Wiele patogenów kleszczy potrafi swoimi gospodarzami odpowiednio manipulować, zmieniając ich metabolizm, płodność, a nawet wpływać na preferencje środowiskowe. Najwidoczniej więc niektóre z nich wpływają na odpowiedź kleszczy na bodźce elektromagnetyczne - sprawiając, że kierują się do nich jeszcze chętniej, niż zazwyczaj – napisali.
      To z pewnością zła wiadomość dla osób nie rozstających się z telefonem nawet na łonie natury. Ale dobra dla tych, którzy twierdzą, że dla pełnego wypoczynku warto pozostawić telefon w domu czy samochodzie, a w lesie cieszyć się szumem drzew i śpiewem ptaków, nie zaś dźwiękiem przychodzących wiadomości – podsumowują autorzy badania.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Producenci akumulatorów od lat próbują zastąpić grafitową anodę w akumulatorach litowo-jonowych jej krzemową wersją. Powinno to zwiększyć zasięg samochodów elektrycznych wyposażonych w takie akumulatory. Próby są prowadzone zwykle z użyciem tlenku krzemu lub połączenia krzemu i węgla. Jednak kalifornijska firma Enevate ma nieco inny pomysł – wykorzystuje cienkie porowate warstwy czystego krzemu.
      Właściciel i główny technolog firmy, Benjamin Park, który od ponad 10 lat pracuje nad nowymi akumulatorami, twierdzi, że taki materiał jest nie tylko tani, ale pozwala na zwieszenie o 30% zasięgu samochodów elektrycznych wyposażonych w tego typu akumulatory. Co więcej, przedstawiciele Enevate uważają, że w niedalekiej przyszłości tego typu akumulatory po 5-minutowym ładowaniu zapewnią samochodowi 400 kilometrów zasięgu.
      Podczas ładowania akumulatorów litowo-jonowych jony litu przemieszczają się z katody do anody. Im więcej jonów jest w stanie przyjąć anoda, tym większa pojemność akumulatora. Krzem może przechowywać nawet 10-krotnie więcej energii niż grafit. Jednak w trakcie pracy akumulatora znacznie się on rozszerza i kurczy, powstają pęknięcia i materiał kruszy się po kilku cyklach ładowania.
      Producenci akumulatorów, chcąc obejść ten problem, dodają nieco krzemu do proszku grafitowego. Całość mieszana jest z tworzywem sztucznym działającym jak spoiwo i nakładana na cienką warstwę miedzi. W ten sposób powstaje anoda. Jednak, jak wyjaśnia Park, jony litu najpierw wchodzą w interakcje z krzemem, później z grafitem. Krzem wciąż się nieco rozszerza, a spoiwo jest dość słabe. Tak zbudowana anoda ulega tym szybszej degradacji, im więcej krzemu się w niej znajduje.
      Enevate nie używa spoiwa. Firma opracowała własny sposób na bezpośrednie nakładanie na miedź porowatych warstw krzemu o grubości od 10 do 60 mikrometrów. Na wierzch stosuje się dodatkową warstwę, która chroni krzem przed kontaktem z elektrolitem.
      Cały proces nie wymaga używania krzemu o wysokiej jakości, więc tego typu anoda kosztuje mniej niż anoda grafitowa o identycznej pojemności. Zaś dzięki temu, że stosowany jest krzem, jony litu mogą bardzo szybko się przemieszczać. W ciągu 5 minut można naładować akumulator do 75% pojemności, nie powodując przy tym zbytniego rozszerzania się krzemu.
      Wszystko co potrzebne do wyprodukowania anody można wytwarzać standardowymi metodami przemysłowymi z rolki. Zatem cały proces łatwo jest skalować. Dzięki połączeniu nowej anody z konwencjonalnymi katodami stworzono akumulatory o pojemności do 350 Wh/kg. To o około 30% więcej niż współczesne akumulatory litowo-jonowe.
      Enevate już współpracuje z koncernami motoryzacyjnymi. Jej nowe akumulatory powinny trafić do samochodów elektrycznych w sezonie 2024/2025.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...