Három kutató nyerte el a 2019-es kémiai Nobel-díjat, akik egy olyan technológiát fejlesztettek ki, amely az okostelefonok korszakának – és az ebből eredő társadalmi átalakulásnak – középpontjában áll. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino munkája döntő előrelépést tett a lítium-ion akkumulátorok terén, amelyek nagy mennyiségű energiát tárolnak kis akkumulátorcellákban, és gyorsan és egyszerűen újratölthetők.
A Sony először 1991-ben értékesítette a kereskedelemben kameráihoz. Az ilyen típusú akkumulátorok sokkal többre alkalmasak, mint a hordozható fogyasztói elektronika. Két másik technológiai forradalom középpontjában állnak, amelyek képesek átalakítani a társadalmat: a belső égésű motorokról az elektromos járművekre való átállás, valamint a fosszilis tüzelőanyagokkal működő elektromos hálózatról a megújuló energiatermelőkre való átállás, amelyek a felesleges villamos energiát akkumulátorokban tárolják. jövőbeni felhasználás.
Tehát hogyan működnek ezek az akkumulátorok? A tudósok és mérnökök egész pályafutásukat azzal töltötték, hogy jobb akkumulátorokat építsenek, és még mindig vannak rejtélyek, amelyeket nem értünk teljesen. Az akkumulátorok fejlesztése megköveteli, hogy vegyészek és fizikusok vizsgálják meg az atomszintű változásokat, valamint gépész- és villamosmérnököket, akik meg tudják tervezni és összeszerelni az eszközöket tápláló akkumulátorcsomagokat. Anyagtudósként a Washingtoni Egyetemen és a Pacific Northwest National Labon munkám segítségével új anyagokat fedeztem fel lítium-levegő akkumulátorokhoz, magnézium akkumulátorokhoz és természetesen lítium-ion akkumulátorokhoz.
Tekintsünk egy napot két elektron életében. Az egyiket Alexnek nevezzük el, és van egy barátja, akit George-nak hívnak.
Akkumulátor anatómiája
Alex egy szabványos alkáli AA elemben lakik, például a zseblámpájában vagy a távirányítójában. Az AA elem belsejében van egy cinkkel és egy másik mangán-oxiddal töltött rekesz. Az egyik végén csak a cinkgyengén lóg az elektronokonmint Alex. A másik végén a mangán-oxiderőteljesen húzelektronokat önmaga felé. A kettő között egy kálium-víz oldatba áztatott papírdarab akadályozza meg, hogy az elektronok közvetlenül az egyik oldalról a másikra menjenek, amelyek pozitív káliumionként és negatív hidroxidionként léteznek.
Amikor az akkumulátort a készülékbe helyezzük és bekapcsoljuk, a készülék belső áramköre befejeződik. Alex kihúzódik a cinkből, az áramkörön keresztül a mangán-oxidba kerül. Útközben az ő mozgása táplálja a készüléket, villanykörtét vagy bármit, ami az akkumulátorhoz van csatlakoztatva. Amikor Alex elmegy, nem tud visszajönni: Az elektront vesztett cink a hidroxidhoz kötődik, és cink-oxidot képez. Ez a vegyület rendkívül stabil, és nem könnyen alakítható vissza cinkké.
Az akkumulátor másik oldalán a mangán-oxid oxigénatomot vesz fel a vízből, és hidroxidionokat hagy maga után, hogy kiegyensúlyozza a cink által elfogyasztott hidroxidot. Miután Alex összes szomszédja elhagyta a cinket és átment a mangán-oxidra, aakkumulátor lemerültés újra kell hasznosítani.
A lítium-ion előnyei
Hasonlítsuk ezt George-hoz, aki egy lítium-ion akkumulátorban él. A lítium-ion akkumulátoroknak ugyanazok az alapvető építőelemei, mint az alkáli AA-elemeknek, néhány különbséggel, amelyek jelentős előnyökkel járnak.
George grafitban él, amely még a cinknél is gyengébb az elektronok megtartásában. Akkumulátorának másik része pedig a lítium-kobalt-oxid, amely sokkal erősebben húzza az elektronokat, mint a mangán-oxid – aminek köszönhetően az akkumulátora sokkal több energiát képes tárolni ugyanannyi helyen, mint egy alkáli elem. A grafitot és a lítium-kobalt-oxidot elválasztó oldat pozitív töltésű lítium-ionokat tartalmaz, amelyek az akkumulátor lemerülése és újratöltése során könnyen kémiai kötéseket képeznek és megszakítanak.
