Mae Astudiaeth wedi darganfod ffordd i wneud batris rydyn ni'n eu defnyddio bob dydd i fod yn fwy gwydn, pwerus a diogel.
Y flwyddyn yw 2018 ac mae ein bywydau bob dydd bellach yn cael eu hysgogi gan wahanol declynnau sydd naill ai'n rhedeg ymlaen trydan neu ar fatris. Mae ein dibyniaeth ar declynnau a dyfeisiau a weithredir gan fatri yn tyfu'n aruthrol. A batri yn ddyfais sy'n storio ynni cemegol sy'n cael ei drawsnewid yn drydan. Mae batris yn adweithyddion cemegol tebyg gydag adwaith sy'n cynhyrchu electronau llawn egni sy'n llifo trwy'r ddyfais allanol. Boed ei ffonau symudol neu liniaduron neu gerbydau trydan eraill, batris - lithiwm-ion yn gyffredinol - yw'r brif ffynhonnell pŵer ar gyfer y technolegau hyn. Wrth i dechnoleg ddatblygu'n barhaus, mae galw parhaus am fatris mwy cryno, gallu uchel a diogel y gellir eu hailwefru.
Mae gan fatris hanes hir a gogoneddus. Defnyddiodd y gwyddonydd Americanaidd Benjamin Franklin y term “batri” gyntaf ym 1749 wrth berfformio arbrofion gyda thrydan gan ddefnyddio set o gynwysorau cysylltiedig. Dyfeisiodd y ffisegydd Eidalaidd Alessandro Volta y batri cyntaf ym 1800 wrth hestacio disgiau o gopr (Cu) a sinc (Zn) wedi'u gwahanu gan frethyn wedi'i socian mewn dŵr hallt. Dyfeisiwyd y batri asid plwm, un o'r batris aildrydanadwy mwyaf parhaol a hynaf, ym 1859 ac mae'n dal i gael ei ddefnyddio mewn llawer o ddyfeisiau hyd yn oed heddiw gan gynnwys injan hylosgi mewnol mewn cerbydau.
Mae batris wedi dod yn bell a heddiw maen nhw'n dod mewn ystod o feintiau o feintiau Megawat mawr, felly mewn theori maen nhw'n gallu storio pŵer o ffermydd solar a goleuo dinasoedd bach neu gallent fod mor fach â'r rhai a ddefnyddir mewn gwylio electronig , nid rhyfedd yw. Mewn yr hyn a elwir yn fatri cynradd, mae adwaith sy'n cynhyrchu llif electronau yn anghildroadwy ac yn y pen draw pan fydd un o'i adweithyddion yn cael ei fwyta mae'r batri yn mynd yn fflat neu'n marw. Y batri cynradd mwyaf cyffredin yw'r batri sinc-carbon. Roedd y batris sylfaenol hyn yn broblem fawr a'r unig ffordd o fynd i'r afael â chael gwared ar fatris o'r fath oedd dod o hyd i ddull y gellid eu hailddefnyddio - sy'n golygu eu gwneud yn ailwefradwy. Roedd ailosod batris gydag un newydd yn amlwg yn anymarferol ac felly wrth i'r batris ddod yn fwy pwerus a mawr daeth yn nesaf at anmhosibl heb son am rai drudfawr i'w hamnewid a'u gwaredu.
Batri nicel-cadmiwm (NiCd) oedd y batris aildrydanadwy poblogaidd cyntaf a ddefnyddiodd alcali fel electrolyt. Ym 1989 datblygwyd batris hydrogen nicel-metel (NiMH) gyda bywyd hirach na batris NiCd. Fodd bynnag, roedd ganddynt rai anfanteision, yn bennaf eu bod yn sensitif iawn i or-wefru a gorboethi yn arbennig pan gawsant eu cyhuddo dyweder i'w cyfradd uchaf. Felly, roedd yn rhaid eu gwefru'n araf ac yn ofalus i osgoi unrhyw ddifrod ac roedd angen mwy o amser arnynt i gael eu gwefru gan wefrwyr symlach.
Wedi'i ddyfeisio ym 1980, batris lithiwm-ion (LIBs) yw'r batris a ddefnyddir amlaf gan ddefnyddwyr. electronig dyfeisiau heddiw. Lithiwm yw un o'r elfennau ysgafnaf ac mae ganddo un o'r potensial electrocemegol mwyaf, felly mae'r cyfuniad hwn yn ddelfrydol ar gyfer gwneud batris. Mewn LIBs, mae ïonau lithiwm yn symud rhwng gwahanol electrodau trwy electrolyt sydd wedi'i wneud o halen a organig toddyddion (yn y rhan fwyaf o LIBs traddodiadol). Yn ddamcaniaethol, metel lithiwm yw'r metel mwyaf positif yn drydanol sydd â chynhwysedd uchel iawn a dyma'r dewis gorau posibl ar gyfer batris. Pan nad yw LIBs yn cael eu hailwefru, mae'r ïon lithiwm â gwefr bositif yn dod yn fetel lithiwm. Fodd bynnag, un broblem fawr yw y gall yr electrolyte anweddu'n hawdd, gan achosi cylched byr yn y batri a gall hyn fod yn berygl tân. Yn ymarferol, mae LIBs yn wirioneddol ansefydlog ac aneffeithlon oherwydd dros amser mae'r gwarediadau lithiwm yn dod yn anunffurf. Mae gan LIBs hefyd gyfraddau tâl a rhyddhau isel ac mae pryderon diogelwch yn eu gwneud yn anhyfyw i lawer o beiriannau pŵer uchel a chynhwysedd uchel, er enghraifft cerbydau trydan trydan a hybrid. Dywedwyd bod LIB yn arddangos cyfraddau cynhwysedd a dargadwad da ar adegau prin iawn.
Felly, nid yw popeth yn berffaith ym myd batris oherwydd yn y blynyddoedd diwethaf mae llawer o fatris wedi'u nodi'n anniogel oherwydd eu bod yn mynd ar dân, yn annibynadwy ac weithiau'n aneffeithlon. Mae gwyddonwyr ledled y byd yn ceisio adeiladu batris a fydd yn fach, yn ddiogel y gellir eu hailwefru, yn ysgafnach, yn fwy gwydn ac ar yr un pryd yn fwy pwerus. Felly, mae'r ffocws wedi symud i electrolytau cyflwr solet fel y dewis amgen posibl. Mae gwyddonwyr wedi rhoi cynnig ar gadw hyn fel y nifer o opsiynau, ond mae sefydlogrwydd a scalability wedi bod yn rhwystr i'r rhan fwyaf o'r astudiaethau. Mae electrolytau polymer wedi dangos potensial mawr oherwydd eu bod nid yn unig yn sefydlog ond hefyd yn hyblyg a hefyd yn rhad. Yn anffodus, y prif broblem gydag electrolytau polymer o'r fath yw eu dargludedd gwael a'u priodweddau mecanyddol.
Mewn astudiaeth ddiweddar a gyhoeddwyd yn ACS Llythyrau Nano, ymchwilwyr wedi dangos y gellir gwella diogelwch batri a hyd yn oed llawer o eiddo eraill trwy ychwanegu nanowires ato, gan wneud y batri yn well. Mae'r tîm hwn o ymchwilwyr o Goleg Gwyddor Deunyddiau a Pheirianneg, Prifysgol Technoleg Zhejiang, Tsieina wedi adeiladu ar eu hymchwil flaenorol lle gwnaethant nanowires borate magnesiwm a oedd yn arddangos priodweddau mecanyddol a dargludedd da. Yn yr astudiaeth gyfredol fe wnaethant wirio a fyddai hyn hefyd yn wir ar gyfer batris o'r fath nanowires yn cael eu hychwanegu at electrolyt polymer cyflwr solet. Roedd electrolyt solid-state yn gymysg â phwysau 5, 10, 15 ac 20 o nanowires borate magnesiwm. Gwelwyd bod y nanowires yn cynyddu dargludedd yr electrolyt polymer cyflwr solet a oedd yn gwneud y batris yn fwy cadarn a gwydn o'u cymharu â rhai cynharach heb nanowires. Roedd y cynnydd hwn mewn dargludedd oherwydd y cynnydd yn nifer yr ïonau sy'n pasio ac yn symud drwy'r electrolyte ac ar gyfradd llawer cyflymach. Roedd y gosodiad cyfan fel batri ond gyda nanowires ychwanegol. Roedd hyn yn dangos cyfradd uwch o berfformiad a mwy o gylchoedd o gymharu â batris arferol. Perfformiwyd prawf fflamadwy pwysig hefyd a gwelwyd nad oedd y batri yn llosgi. Mae angen uwchraddio'r cymwysiadau cludadwy a ddefnyddir yn eang heddiw fel ffonau symudol a gliniaduron gyda'r ynni storio mwyaf a'r mwyaf cryno. Mae hyn yn amlwg yn cynyddu'r risg o ryddhau treisgar ac mae'n hylaw ar gyfer dyfeisiau o'r fath oherwydd y fformat bach o fatris sydd eu hangen. Ond wrth i gymwysiadau mwy o fatris gael eu dylunio a'u rhoi ar brawf, mae diogelwch, gwydnwch a phŵer yn cymryd y pwys mwyaf.
***
{Gallwch ddarllen y papur ymchwil gwreiddiol trwy glicio ar y ddolen DOI a roddir isod yn y rhestr o ffynonellau a ddyfynnir}
Ffynhonnell (au)
Sheng O et al. 2018. Mg2B2O5 Nanowire Galluogi Electrolytes Solid-Wladwriaeth Amlswyddogaethol gyda Dargludedd Ïonig Uchel, Priodweddau Mecanyddol Ardderchog, a Pherfformiad Gwrth-fflam. Llythyrau Nano. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
