ዓለም አቀፋዊ ሽግግር ወደ ኤሌክትሪክ ተሸከርካሪዎች (ኢቪ) እና ከፍተኛ አፈፃፀም ያላቸው ተንቀሳቃሽ የኤሌክትሮኒክስ ዕቃዎች ፍላጎት ከጊዜ ወደ ጊዜ እየጨመረ በባትሪ ቴክኖሎጂ ላይ ታይቶ የማይታወቅ ጫና ፈጥሯል። የኢነርጂ ጥግግት - በአንድ የተወሰነ መጠን ወይም ክብደት ውስጥ የተከማቸ የኃይል መጠን - ቋሚ መሻሻሎችን ቢያይም፣ የኃይል መሙያ ፍጥነት ትልቅ ማነቆ ሆኖ ይቆያል። ለኢቪ አሽከርካሪዎች የ"ክልል ጭንቀት" ክስተት ከጊዜ ወደ ጊዜ እየጨመረ በ "ጭንቀት በመሙላት" እየተሟላ ነው ፣ ረጅም እና የማይመች የኃይል መሙያ ፍርሃት ይቆማል። የተለመደ ሊቲየም-አዮን ባትሪዎችአብዛኛዎቹን ዘመናዊ መሳሪያዎቻችንን እና ተሸከርካሪዎቻችንን ሙሉ ኃይል ለመሙላት ከ30 ደቂቃ እስከ ብዙ ሰአታት ይወስዳል። ይህ ገደብ ኢቪዎችን በጅምላ መቀበልን የሚያደናቅፍ እና ከፍተኛ ኃይል ያላቸውን መሳሪያዎች መጠቀምን ይገድባል።
በዲያኦ ዌን እንደዘገበው በቻይና ዋና ተቋም ውስጥ ከተመራማሪ ቡድን የተካሄደው እጅግ አስደናቂ ጥናት፣ የሥርዓት ለውጥ እንደሚመጣ ቃል ገብቷል። ተመራማሪዎቹ የ Storage LifePO4 ባትሪ በ30 ሰከንድ ውስጥ 70 በመቶውን እንዲሞላ የሚያስችል ልቦለድ ካቶድ ቁስ ሰርተዋል። ይህ ስኬት ከንድፈ ሃሳቡ ወደ ተግባራዊ የላቦራቶሪ ማሳያ በመሸጋገር ከኃይል ማከማቻ እና ከኤሌክትሪክ መጓጓዣ ጋር ያለንን ግንኙነት እንደገና የመወሰን አቅም አለው።
ሳይንሳዊው ፈተና፡ የመሙያ ጠርሙስን መረዳት
ይህንን ግኝት ለማድነቅ የአሁኑን መሰረታዊ ገደቦች መረዳት አለበት። ሊቲየም-ጡት ባትሪ ኬሚስትሪ. መደበኛ ባትሪ አኖድ (በተለምዶ ግራፋይት)፣ ካቶድ (ብዙውን ጊዜ እንደ NMC ወይም LFP ያሉ ሊቲየም ብረት ኦክሳይድ) እና የሊቲየም ions እንቅስቃሴን የሚያመቻች ኤሌክትሮላይት ያካትታል።
በሚሞሉበት ጊዜ ሊቲየም ionዎች ከካቶድ ውስጥ ይጣላሉ, በኤሌክትሮላይት ውስጥ ይጓዛሉ እና ወደ አኖድ መዋቅር ውስጥ ይገባሉ. የዚህ ሂደት ፍጥነት በበርካታ ውስጣዊ ምክንያቶች የተገደበ ነው.
- ድፍን-ግዛት ስርጭት፡- የሊቲየም ionዎች በካቶድ እና የአኖድ ቁሶች በጠንካራ ክሪስታል ጥልፍልፍ ውስጥ የሚንቀሳቀሱበት ፍጥነት በባህሪው ቀርፋፋ ነው። ይህ ብዙውን ጊዜ የዋጋ-ገደብ ደረጃ ነው።
- የኤሌክትሮላይት አዮኒክ ምግባራዊነት፡- አየኖች በኤሌክትሮላይት መካከለኛ ክፍል ውስጥ ለመጓዝ ቀላል ናቸው።
- ኤሌክትሮድ ኪነቲክስ፡- በኤሌክትሮል ቁሶች እና በኤሌክትሮላይት መካከል ባሉ መገናኛዎች ላይ የኤሌክትሮኬሚካላዊ ግብረመልሶች ፍጥነት።
- የኤሌክትሮኒካዊ አሠራር-የኤሌክትሮል ንጥረ ነገር በራሱ ኤሌክትሮኖችን የመምራት ችሎታ, ውጫዊውን ዑደት ለማጠናቀቅ ወሳኝ ነው.
የኃይል መሙያ ፍጥነትን ለማሻሻል ባህላዊ አቀራረቦች ብዙውን ጊዜ የ ions ስርጭት መንገዶችን ለማሳጠር ናኖ የመዋቅር ቁሳቁሶችን ያካትታሉ። ነገር ግን፣ እነዚህ ዘዴዎች የባትሪውን የቮልሜትሪክ ሃይል ጥግግት ሊያበላሹት ይችላሉ (የበለጠ የቦዘኑ ነገሮች ስለሚያስፈልጉ) እና የረጅም ጊዜ መዋቅራዊ መረጋጋት እና ደህንነት ስጋት ያሳድራል።
ዕድገቱ፡ ካቶዴድን በቢፖላር ኮንዳክቲቭ ኔትወርክ እንደገና መገንባት
በፕሮፌሰር ዣንግ የሚመራው የምርምር ቡድን ይህንን ችግር የፈታው ያሉትን እቃዎች በማጣራት ብቻ ሳይሆን የካቶድ አርክቴክቸርን በሞለኪውላር እና በናኖ ሚዛን በማስተካከል ነው። የእነሱ ፈጠራ በካቶድ ቁሳቁስ ውስጥ "ባይፖላር ኮንዳክቲቭ ኔትወርክ" በመፍጠር ላይ ያተኩራል.
ያዳበሩት የካቶድ ቁሳቁስ በተሻሻለው ላይ የተመሰረተ ነው የሊቲየም ብረት ፎስፌት (LiFePO₄ ወይም LFP) ስርዓት, በደህንነቱ እና ረጅም ዕድሜው የሚታወቅ, ነገር ግን በባህላዊው መጠነኛ የኤሌክትሮኒክስ ንክኪነት የተገደበ ነው. የቡድኑ አዲስ አቀራረብ ሁለት ቁልፍ፣ በአንድ ጊዜ የተደረጉ ማሻሻያዎችን ያካትታል፡-
በሲቱ ውስጥ የካርቦን ሽፋን ከብረት ናኖክላስተር ጋር
ተመራማሪዎቹ የLiFePO₄ ቅንጣቶች እጅግ በጣም ቀጭን በሆነ ወጥ የሆነ የካርበን ንብርብር የተሸፈኑበት የተራቀቀ ውህደት ሂደት ፈጠሩ። በአስፈላጊ ሁኔታ, ይህ መደበኛ የካርበን ሽፋን አይደለም. በቅንጅቱ ወቅት፣ በአቶሚክ ትክክለኛ የብረት ናኖክላስተር (ለምሳሌ፣ መዳብ ወይም ብር) በቀጥታ ወደዚህ የካርቦን ማትሪክስ ለመክተት ችለዋል። ይህ የካርበን ንብርብርን ከቀላል መሪ ወደ ኤሌክትሮኖች ወደ "ሱፐር ሀይዌይ" ይለውጠዋል. የብረታ ብረት ናኖክላስተር ኤሌክትሮኖች በፍጥነት ወደ ምላሽ ቦታዎች እንዲቀርቡ ወይም እንዲወገዱ በማድረግ የኤሌክትሮኒካዊ ንክኪነትን በእጅጉ ያሳድጋል።
ከተሰለፈ ion ጋር የተዋረዳዊ ቀዳዳ መዋቅር መፍጠር
ቻናሎች፡ በአንድ ጊዜ የካቶድ ቅንጣትን ተዋረዳዊ እና ባለሁለት ቀጣይነት ያለው ቀዳዳ መዋቅር እንዲኖራቸው አደረጉት። ይህ ማለት ቁሱ እርስ በርስ የተያያዙ የተለያየ መጠን ያላቸው ቀዳዳዎች መረብ ይዟል. በይበልጥ፣ የሊቲየም ionዎችን ዝቅተኛ የመቋቋም መንገዶችን በሚፈጥር መልኩ የክሪስታል አወቃቀሩን እና ቀዳዳዎቹን ሰርጦች አስተካክለዋል። ይህ ለተዘበራረቀ እና በተሰቃየ መንገድ ላይ “ተጣብቀው” እንዳይሆኑ የሚከለክላቸው ለ ions የወሰኑ ፈጣን መስመሮችን ከመፍጠር ጋር ተመሳሳይ ነው።
የእነዚህ ሁለት ባህሪያት ውህደት የ"ባይፖላር" ኔትወርክን የሚፈጥረው ነው፡ አንድ ለኤሌክትሮኖች አንድ እጅግ በጣም ፈጣን መንገድ (በብረት የተገጠመ የካርበን ሽፋን በኩል) እና አንድ እጅግ በጣም ፈጣን መንገድ ለ ions (በተጣጣሙ የሃይራክቲክ ቀዳዳዎች በኩል). ይህ ባለሁለት መንገድ አርክቴክቸር ሁለቱን ወሳኝ የሃይል ማጓጓዣ ሂደቶችን በውጤታማነት መፍታት እና ከፍ ያደርገዋል፣በኤሌክትሮኒክ እና ionክ ኮንዳክሽን መካከል ያለውን የጥንታዊ የንግድ ልውውጥ በማሸነፍ።
አፈጻጸሙን ማረጋገጥ፡ የላብራቶሪ ውጤቶች እና መለኪያዎች
ጽሑፉ የቁሱ ልዩ አፈጻጸምን የሚያረጋግጡ ጥብቅ ሙከራዎችን ይዘረዝራል። በቤተ ሙከራ ልኬት የሳንቲም ሴል ፕሮቶታይፕ ውጤቶቹ አስደናቂ ነበሩ፡-
- የመሙያ ፍጥነት፡ ባትሪዎቹ በ30 ሰከንድ ውስጥ ብቻ 70% የመሙላት ሁኔታን ያገኙ ሲሆን በ10 ደቂቃ ውስጥ ምንም አይነት ጉልህ የሆነ ብልሽት ወይም የሊቲየም ንጣፍ (አጭር ዑደትን የሚፈጥር አደገኛ የጎንዮሽ ምላሽ) በግምት በ10 ደቂቃ ውስጥ ሙሉ በሙሉ ሊሞሉ ይችላሉ።
- የኃይል ትፍገት፡ የሃይል ጥግግት -የኃይል አቅርቦት መጠን -ከዚህ በፊት ታይቶ በማይታወቅ ደረጃ ላይ ደርሷል፣ከገበያ ኤልኤፍፒ ባትሪዎች እጅግ የላቀ እና ከአንዳንድ ልዕለ ኃይላት ጋር በመፎካከር እጅግ የላቀ የኢነርጂ እፍጋትን እየጠበቀ።
- የዑደት ሕይወት፡ ምንም እንኳን ከፍተኛ የኃይል መሙያ ፍጥነቶች ቢኖሩም፣ ሴሎቹ ከሺህ ከሚቆጠሩ ዑደቶች በኋላ ከ80% በላይ አቅማቸውን በማቆየት እጅግ በጣም ጥሩ የዑደት ሕይወት አሳይተዋል። ይህ የሚያመለክተው የጠንካራው ባይፖላር ኔትወርክ መዋቅር ፈጣን ብቻ ሳይሆን ከፍተኛ ጥንካሬ ያለው ሲሆን በተለምዶ ባትሪዎችን በፍጥነት በሚሞሉበት ጊዜ የሚቀንሱትን ሜካኒካዊ ጭንቀቶችን ይቋቋማል።
- የመመዘን አቅም፡ ሴሎቹ እጅግ በጣም ከፍተኛ በሆነ የፍሳሽ መጠን እንኳን በጥሩ ሁኔታ ሠርተዋል፣ ይህም በኢቪዎች ውስጥ ብቻ ሳይሆን ከፍተኛ ኃይል ባላቸው መሳሪያዎችና መሳሪያዎች ውስጥም አፕሊኬሽኖችን ይጠቁማል።
ተመራማሪዎቹ የተነደፈው መዋቅር በተሳካ ሁኔታ የተዋሃደ መሆኑን እና በብስክሌት ወቅት የተረጋጋ መሆኑን ለማረጋገጥ እንደ ሲንክሮሮን ኤክስ ሬይ ዲፍራክሽን እና ማስተላለፊያ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒን የመሳሰሉ የላቀ የባህሪ ቴክኒኮችን ተጠቅመዋል።
አንድምታ እና የወደፊት መተግበሪያዎች
- የኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች (ኢ.ቪ.ዎች)፡ ይህ በጣም ተለዋዋጭ መተግበሪያ ነው። እጅግ በጣም ፈጣን ኃይል መሙላት ጭንቀትን በተሳካ ሁኔታ ያስወግዳል. በቡና ዕረፍት ወቅት የ30 ሰከንድ ክፍያ ከፍተኛ መጠንን ሊጨምር ይችላል፣ ይህም ኢቪዎችን ለረጂም ጉዞዎች ከውስጥ ተቀጣጣይ ሞተር ተሽከርካሪዎች የበለጠ ምቹ ያደርገዋል። እንዲሁም ትንንሽ ማሸጊያዎች በቅጽበት “በነዳጅ ሊሞሉ” ስለሚችሉ ግዙፍ እና ከባድ የባትሪ ጥቅሎችን አስፈላጊነት ሊቀንስ ይችላል።
- የሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ፡ ስማርትፎኖች፣ ላፕቶፖች እና ታብሌቶች ከሰዓታት ይልቅ በደቂቃዎች ውስጥ ሊሞሉ ይችላሉ። ይህ የተጠቃሚውን ምቾት እና ምርታማነትን በእጅጉ ያሻሽላል።
- የፍርግርግ-ደረጃ የኢነርጂ ማከማቻ፡ ሃይልን በፍጥነት የመምጠጥ እና የመልቀቅ ችሎታ ሃይል ኔትወርኮችን ለማረጋጋት እና እንደ ፀሀይ እና ንፋስ ያሉ የሚቆራረጡ ታዳሽ ምንጮችን ለማረጋጋት ወሳኝ ነው። እነዚህ ባትሪዎች ፈጣን-ድግግሞሽ ደንብ ሊያቀርቡ እና የኃይል መወዛወዝን ማለስለስ ይችላሉ።
- ከፍተኛ ኃይል ያለው ኢንደስትሪያል እና ኤሮስፔስ አፕሊኬሽኖች፡ ከገመድ አልባ መሳሪያዎች እስከ ድሮኖች እና የኤሌክትሪክ አውሮፕላኖች ለመነሳት እና ለማረፍ ከፍተኛ ሃይል የሚያስፈልጋቸው ይህ ቴክኖሎጂ አዳዲስ ችሎታዎችን ሊከፍት ይችላል።
ተግዳሮቶች እና ለንግድ ስራ መንገዶች
የላብራቶሪ ውጤቶቹ ያልተለመዱ ቢሆኑም ጽሑፉ ወደፊት የሚገጥሙትን ፈተናዎች እውቅና ይሰጣል። ከግራም-ሚዛን የላቦራቶሪ ባችዎች ወደ ቶን-ልኬት ለኢንዱስትሪ የጅምላ ምርት የሚፈለገውን የማዋሃድ ሂደት ማደግ ትልቅ እንቅፋት ነው። በብረት ውስጥ የተገጠመ የካርቦን ሽፋን ለመፍጠር የሚያስፈልገው ትክክለኛ ቁጥጥር እና የሃይሪካዊ ቀዳዳ መዋቅር ወጪ ቆጣቢ በሆነ መልኩ መድገም አለበት። በተጨማሪም ቴክኖሎጂው ከተመቻቹ አኖዶች (ለምሳሌ ፈጣን ቻርጅ ግራፋይት ወይም ሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ አኖዶች)፣ ኤሌክትሮላይቶች እና የባትሪ አስተዳደር ስርዓቶች እንደዚህ አይነት ከፍተኛ የሃይል ግብአቶችን በአስተማማኝ ሁኔታ ለማስተናገድ የተቀየሱ መሆን አለባቸው።
የምርምር ቡድኑ ቀድሞውንም ከኢንዱስትሪ አጋሮች ጋር በመተባበር እነዚህን የመስፋፋት ተግዳሮቶች ለመፍታት እየሰራ ነው ተብሏል። ጽሁፉ የሚያጠናቅቀው በብሩህ ተስፋ ሲሆን እነዚህን መሰናክሎች ማሸነፍ ከተቻለ በሚቀጥሉት 5 እና 10 ዓመታት ውስጥ የዚህን እጅግ ፈጣን የኃይል መሙያ ቴክኖሎጂ የመጀመሪያ የንግድ አፕሊኬሽኖች ማየት እንደምንችል ለኤሌክትሮ ተንቀሳቃሽነት እና ለተንቀሳቃሽ ሃይል አዲስ ዘመን እንደሚያበስር ይጠቁማል።
በማጠቃለያው፣ በዲያኦ ዌን የተዘገበው ስራ በኤሌክትሮዲክ አርክቴክቸር ውስጥ መሰረታዊ ግኝትን ይወክላል። ከተጨማሪ ማሻሻያዎች በዘለለ እና ቁሳቁሱን በመንደፍ ለአይዮን እና ለኤሌክትሮኖች ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸውን መንገዶችን በመንደፍ ተመራማሪዎቹ የኃይል መሙያ ጊዜ የሚለካው በሰከንድ እና በደቂቃ እንጂ በሰዓት አይደለም።
