Lityum batareyalar sanoati yuqori energiya zichligi va uzoq umr ko'rish sari tezlashar ekan, uglerod nanotubalari laboratoriyadagi "yulduzli material" dan quvvat akkumulyatorlarini ishlab chiqarish liniyalarida ajralmas asosiy yordamchi materialga aylandi. Ular batareyaning ichida qanday rol o'ynaydi? Nima uchun ular bir vaqtning o'zida energiya zichligi va aylanish muddatini yaxshilashlari mumkin? Ushbu maqola lityum batareyalarda uglerod nanotubalarini qo'llash mantiqini demontaj qiladi. Shu bilan birga, biz Shandong Tanfeng New Material tomonidan taqdim etilgan mahalliy uglerod nanotube ishlab chiqaruvchilari ushbu materialni ommaviy ishlab chiqarish orqali- keng miqyosda o'zlashtirishni qanday rag'batlantirayotganini ko'ramiz.
1. Uglerod nanotubalarining asosiy roli: Lityum batareyalar ichida ular qanday rol o'ynaydi?
Uglerodli nanotubalar lityum batareyalarda ham "o'tkazuvchan magistral" va "nanomexanik bufer qatlami" sifatida ikki tomonlama funktsiyani bajaradi. Ularning "liniya{1}}aloqa liniyasi-birlashtiruvchi" sinergetik mexanizmi ularni an'anaviy o'tkazuvchan qo'shimchalardan ajratib turadigan asosiy xususiyatdir.
Uglerod nanotubalarining rolini tushunish uchun avvalo akkumulyator ichidagi “mikroskopik trafik” holatini aniq ko‘rishimiz kerak. An'anaviy o'tkazuvchan qo'shimchalar (masalan, uglerod qora Super P) nol o'lchovli zarralar bo'lib, ular zarrachalar orasidagi "nuqta aloqasi" orqali elektronlarni uzatadi, masalan, yuqori kontakt qarshiligiga ega bo'lgan shag'alli yo'l, zaryad va oqim hajmining o'zgarishi paytida osongina sindiriladi. Biroq, uglerod nanotubalari juda yuqori nisbatli-bir o'lchovli quvurli materiallardir. Ular elektrodda "chiziq-kontakt" uch o'lchovli o'tkazgich tarmog'ini quradilar, bu shag'al yo'lni yo'l o'tkazgichga ko'tarishga teng.
| Taqqoslash o'lchami | An'anaviy uglerod qora (Super P) | Uglerodli nanotubeli Supero'tkazuvchilar qo'shimcha |
|---|---|---|
| Geometrik tuzilma | Nol-oʻlchamli (zarrachalar) | Bir oʻlchovli-(quvursimon) |
| Aloqa rejimi | Kontaktga--koʻrsating | Kontaktga-chiziqdan-chiziq / chiziq-to-kontakt |
| Supero'tkazuvchilar tarmoq samaradorligi | Past, uzilishga moyil | Juda yuqori, uzoq masofaga{0}}o‘tkazuvchanlik |
| Qo'shimcha miqdori (odatiy) | 2-3 og'irligi% | 0,5-1,5 og'irlik% (dozani kamaytirishi mumkin) |
| Matritsaning mexanik xususiyatlariga ta'siri | Hech qanday mustahkamlash | Muhim mustahkamlash, yoriqlarni bostiradi |
2. Nima uchun ular energiya zichligini oshirishi mumkin? - Ikki asosiy yoʻl
Uglerod nanotubalari lityum batareyalarning energiya zichligini ikki yo'l orqali yaxshilaydi: "samaradorlikni oshirishda dozani kamaytirish" va "to'g'ridan-to'g'ri lityum saqlash".
Birinchidan, eng oddiy mantiq - o'tkazuvchan qo'shimchalar dozasini kamaytirish. Uglerod nanotubalarining o'ta yuqori o'tkazuvchanlik samaradorligi tufayli katta miqdordagi an'anaviy uglerod qorasining ta'siriga erishish yoki undan ham oshib ketish uchun faqat oz miqdorda qo'shilishi kerak. Bu elektroddagi faol materiallarning (masalan, lityum temir fosfat va uchlik materiallari) nisbati yuqori bo'lishi mumkinligini anglatadi, bu esa butun batareyaning gravimetrik va hajmli energiya zichligini bevosita yaxshilaydi. Empa (Shveytsariya Federal Materials Science and Technology Laboratories) tomonidan olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, NMC532 katodlarida atigi 1 og'irlikdagi aralash o'lchovli uglerod nanotubalarini qo'shish og'irligi 3% uglerod qora qo'shilganidan 13 baravar yuqori elektr o'tkazuvchanlikka olib keladi. Shu bilan birga,-tekislikdagi issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti 200% ga, tekislikdagi issiqlik o'tkazuvchanligi-40% ga oshdi, bu esa batareyaning issiqlik tarqalishi va xavfsizligi uchun juda muhimdir.
Ikkinchidan, uglerod nanotubalarining o'zi ham litiyni saqlash qobiliyatiga ega. MIT tomonidan olib borilgan tadqiqot buzg'unchi tushunchani aniqladi: kislota bilan ishlov berish orqali kiritilgan nuqsonlari va kislorod-o'z ichiga olgan ko'p devorli uglerod nanotubalarining o'zlari anod materiali sifatida foydalanilganda 855,6 mAh/g teskari sig'imga erisha oladi, bu nazariy sig'imdan (372 g/soat grafig'dan) ancha yuqori. Bu shuni anglatadiki, anodga uglerod nanotubalarini qo‘shish nafaqat o‘tkazuvchanlikni ta’minlabgina qolmay, balki to‘g‘ridan-to‘g‘ri sig‘imga ham hissa qo‘shadi, bu esa kremniyga asoslangan anodlar kabi-yuqori sig‘imli tizimlar uchun qo‘shimcha unumdorlikni oshirish imkonini beradi.
3. Nima uchun ular tsiklning umrini uzaytira oladi? - "Nano{2}}bahor"-charchoqqa qarshi mexanizm
Uglerod nanotubalari zaryadlash va tushirish davrlarida "nano{0}}bahor" rolini o'ynaydi, mexanik kuchlanishni o'zlashtiradi va mikro-yorilish hosil bo'lishini bostiradi va shu bilan batareyaning ishlash muddatini sezilarli darajada uzaytiradi.
Takroriy zaryadlash va tushirish vaqtida anod va katod materiallari doimiy ravishda kengayib boradi va qisqaradi, bu esa batareya quvvati chirishining asosiy sabablari bo'lgan zarrachalarning maydalanishi va yoriqlar tarqalishiga olib keladi. Janubiy Koreyaning POSTECH (Poxan fan va texnologiya universiteti) tadqiqot guruhi Samsung SDI bilan hamkorlikda mohir yechimni taqdim etdi: ular katod materiali yuzasini ko‘p devorli uglerod nanotubalarining “nano{1}}bahor qoplamasi” bilan qopladi.
Og'irligi atigi 0,5% uglerod nanotubalarini qo'shish 570 Vt/kg dan ortiq ultra-yuqori energiya zichligiga erishdi.
1000 marta zaryadsizlangandan keyin{1}}batareya dastlabki quvvatining 78 foizini saqlab qoldi.
Printsip uglerod nanotubalarining ichi bo'sh quvurli tuzilishida yotadi, ular bahor kabi ishlaydi, zaryadlash va tushirish vaqtida hosil bo'lgan kuchlanish energiyasini o'zlashtiradi va tarqatadi, zarrachalar yuzasida yoriqlar paydo bo'lishi va tarqalishini oldini oladi. Ushbu mexanik mustahkamlash ta'siri an'anaviy zarrachali o'tkazuvchan qo'shimchalarda mutlaqo yo'q.
Shandong Tanfeng yangi materialining afzalligi:Professional uglerod nanotuba ishlab chiqaruvchisi sifatida Shandong Tanfeng New Material nafaqat koʻp{0}}devorli/bir necha-devorli uglerod nanotuba kukunini 98% dan yuqori yoki unga teng tozaligi bilan taʼminlabgina qolmay, balki turli anod va katod tizimlari uchun moslashtirilgan uglerod nanotubali oʻtkazuvchan pastalarni ham taklif etadi. Uning oʻzi ishlab chiqqan-uchinchi avlod-gorizontal CVD uskunasi yiliga 3000 tonnalik yirik-miqyosdagi ishlab chiqarishga erishib, mijozlardan foydalanish xarajatlarini samarali qisqartirdi. Jamoa katalizator samaradorligini oshirish (reaktsiya vaqti 30-45 daqiqagacha qisqartirilgan) va dispersant texnologiyasi bo'yicha xususiy asosiy texnologiyalarga ega.
4. Uglerod nanotubalari - Lityum batareyalar unumdorligini oshirishda "asosiy o'yinchi"
Uglerod nanotubalari lityum batareyalarda oddiy oʻtkazuvchanlik emas, balki “yuqori{0}}tezlikda oʻtkazuvchan tarmoq quruvchi”, “nano oʻlchamdagi mexanik bufer qatlami” va “qoʻshimcha litiy saqlash hissasini” birlashtirgan koʻp funksiyali material rolini oʻynaydi.
Energiya zichligini oshirish:Ikki g'ildirak bilan boshqariladi - samaradorlikni oshirgan holda dozani kamaytiradi (o'tkazuvchan qo'shimchalar dozasi yarmidan ko'proq kamayadi) va o'zlarining litiyni saqlash hissasi (nuqson muhandislikdan keyin quvvati 855,6 mAh/g).
Tsikl umrini uzaytirish:"Nano{0}}bahor" qoplama texnologiyasi orqali stressni yutish va mikro{1}}yorilishlarni bostirish, hatto 1000 tsikldan keyin ham 78% quvvatni saqlab qolish.
Eng yaxshi amaliyot:Uglerod nanotubalari va uglerod qorasini birlashtirgan kompozit o'tkazuvchan qo'shimchalar tizimidan foydalanish, narx va ishlashni muvozanatlash.
Lityum batareyalarda uglerod nanotubalarini qo'llash texnologiyasi tobora etuklashib borayotgani va Shandong Tanfeng New Material kabi mahalliy ishlab chiqaruvchilarning ming tonnalik xarajat ustunligi tufayli uglerod nanotubalari "yuqori{2}}qo'shimchalardan" "standart yuqori{3}{1}4-{2}}{4}-qo'shimchalar"ga aylanmoqda. yuqori-maxsus-energiya, ultra-uzoq-umumli quvvatli batareyalar.