Eksperimento ni Mya Le Thai sa Bateryang Umabot sa 200,000 Siklo: Ano ang Nakamit ng Pambihirang Tagumpay ng UCI

Isang tatlong buwang eksperimento na may pambihirang resulta

Sa isang laboratoryo sa University of California, Irvine, paulit-ulit na kinargahan at pinagdiskarga ng doctoral researcher na si Mya Le Thai ang isang eksperimental na electrode hanggang umabot ito sa 200,000 siklo. Pagkaraan ng tatlong buwan, walang nakitang paghina sa kapasidad o lakas ang mga mananaliksik, at wala ring natagpuang naputol na nanowire. Inanunsyo ng UCI ang mga natuklasan noong Abril 20, 2016, kasabay ng paglalathala ng pag-aaral sa ACS Energy Letters.

Pinagsama sa materyal ang mga nanowire na ginto, patong na manganese dioxide at gel electrolyte na kahawig ng Plexiglas. Nagbigay ng posibleng sagot ang tibay nito sa isang matagal nang problema: madaling mabitak ang maliliit na kawad na kapaki-pakinabang sa pag-iimbak ng enerhiyang elektrikal kapag paulit-ulit na ginagamit.

Nagdulot din ang tuklas ng kapansin-pansing pahayag na maaaring tumagal nang 400 taon ang baterya ng laptop sa hinaharap. Nakuha ang bilang na iyon sa pagkuwenta ng bilang ng mga siklo sa eksperimento bilang mga taon, batay sa ipinagpalagay na dalas ng paggamit. Ang aktuwal na nakamit ay isang electrode na nakaligtas sa 200,000 siklo sa laboratoryo sa loob ng tatlong buwang pagsubok.

Halos isang dekada matapos ang anunsyo, nananatiling patunay-konsepto sa laboratoryo ang resulta tungkol sa mga nanowire. Kalaunan ay nakamit ni Thai ang kanyang doctorate at lumipat sa pananaliksik sa mga baterya para sa de-kuryenteng transportasyon. Patuloy na nakaaakit ng pansin ang kanyang eksperimento dahil ipinapakita nito ang isang paraan upang manatiling buo ang marurupok na materyales ng baterya sa paulit-ulit na paggamit.

Paano binago ng manipis na patong ng gel ang eksperimento

Pinag-aaralan ni Thai, isang Vietnamese American na mananaliksik, ang mga nanowire nang subukan niyang magdagdag ng manipis na patong ng gel sa eksperimental na estruktura. Patuloy na gumana ang mga electrode nang lumampas sa 10,000 siklo ang pagsubok, at makalipas ang ilang araw ay umabot sa 30,000. Kalaunan ay umabot sa 200,000 siklo ang pagsubok.

Inilarawan ni Reginald Penner, ang pangunahing may-akda ng pag-aaral at noo'y pinuno ng departamento ng kimika ng UCI, ang di-inaasahang tuklas sa anunsyo ng unibersidad noong Abril 2016.

Naglalaro-laro si Mya, at pinahiran niya ng napakanipis na patong ng gel ang buong bagay na ito at sinimulan itong paulit-ulit na gamitin," sabi ni Penner. "Natuklasan niya na sa paggamit lang ng gel na ito, maaari niya itong paandarin nang daan-daang libong siklo nang walang nababawas na kapasidad.

Sinabi ni Penner na nakakagulat ang resulta dahil karaniwang pumapalya ang kahalintulad na mga estruktura pagkaraan ng 5,000 hanggang 7,000 siklo. Kung ihahambing sa mga bilang na iyon, umabot sa humigit-kumulang 29 hanggang 40 ulit ang 200,000 siklo ng electrode ng UCI. Inilalarawan ng paghahambing na ito ang pagbuti kumpara sa mga estrukturang tinalakay ni Penner.

Ang hindi sinasadyang bahagi ng tuklas ay ang tagumpay ng paggamot gamit ang gel. Kinailangan ang tuluy-tuloy na pagsubok upang mapatunayan ang halaga nito: ilang buwan na paulit-ulit na sinubukan ni Thai ang electrode at sinuri kung humina ang paggana nito sa kuryente o nasira ang pisikal na estruktura nito.

Bakit kailangang protektahan ang mga nanowire

Libu-libong ulit na mas maninipis sa hibla ng buhok ng tao ang mga nanowire. Mahusay silang magdaloy ng kuryente at malaki ang lawak ng ibabaw nila kumpara sa laki, kaya kaakit-akit silang materyales para sa mga electrode. Ang mga electrode ang bahagi ng baterya kung saan iniimbak at inilalabas ang karga sa pamamagitan ng mga reaksiyong elektrokimikal.

Nagdudulot ng puwersa sa mga estrukturang ito ang paulit-ulit na pagkarga at pagdiskarga. Ipinaliwanag ng UCI na maaaring lumaki at maging marupok ang mga nanowire habang ginagamit sa karaniwang lithium ion battery. Maaari itong magdulot ng mga bitak at pagkakawatak-watak ng materyal na kailangang manatiling magkakaugnay upang gumana nang mabisa ang electrode.

Tatlong pangunahing bahagi ang bumuo sa eksperimental na estruktura ni Thai. Nasa gitna ang nanowire na ginto, pinalilibutan ito ng manganese dioxide, at tinatakpan ng gel electrolyte ang kabuuan. Pinahihintulutan ng electrolyte na makagalaw sa isang aparatong nag-iimbak ng enerhiya ang mga kargadong partikulong tinatawag na ion.

Iminungkahi ng mga mananaliksik na pinalambot ng gel ang metal oxide. Sa pang-araw-araw na pananalita, maaaring naging mas nababaluktot nito ang patong at nakayanan ang paggalaw nang hindi nabibitak. Nakatulong ang pagpapanatiling buo ng estruktura upang mapanatili ng electrode ang paggana nito sa paulit-ulit na mga siklo.

Ano ang ibig sabihin ng mga bilang sa paggana

Iniulat din na nakamit ng eksperimento ang average na Coulombic efficiency na 94 hanggang 96 porsiyento. Inihahambing ng Coulombic efficiency ang kargang nakukuha sa pagdiskarga sa kargang inilalagay habang nagkakarga. Ang halagang 94 porsiyento ay nangangahulugang mga 94 na yunit ng karga ang nakukuha sa bawat 100 yunit na ipinapasok.

Naabot na ng isang konfigurasyon ng nanobaterya na binuo sa Stanford noong 2007 ang 40,000 siklo. Limang ulit ang 200,000 siklo ng UCI kumpara sa bilang na iyon, bagaman magkaiba ang mga konfigurasyon ng mga aparato. Kaya mahalagang isaalang-alang ang disenyo at mga kondisyon ng pagsubok sa paghahambing ng mga resulta.

Saan nagmula ang tantiya na 400 taon

Ipinagpapalagay sa tantiya na kumukumpleto ang laptop ng 1,000 siklo ng pagkarga kada dalawang taon, o 500 siklo kada taon. Kapag hinati ang 200,000 siklo sa 500, lalabas ang 400 taon. Payak ang bawat hakbang sa pagkukuwentang ito, ngunit extrapolation mula sa resulta sa laboratoryo ang haba ng panahon sa kalendaryo.

Naabot ng electrode ni Thai ang bilang ng mga siklo sa tuluy-tuloy na pagsubok sa loob ng tatlong buwan. Sa pang-araw-araw na paggamit, may mga panahong bahagyang kargado lamang ang baterya, nagbabago ang temperatura, at kailangan nitong gumana kasama ng ibang piyesa. Kailangang subukan ang tapos na produkto sa mga kondisyong mararanasan ng mga gumagamit nito.

Layunin sa praktika na patagalin ang paggamit bago kailangang palitan ang baterya. Para sa may-ari ng laptop, maaaring mangahulugan ito na magagamit ang parehong baterya sa mas malaking bahagi ng panahong kapaki-pakinabang pa ang computer. Para sa gumagawa ng sasakyan, maaaring mangahulugan ito ng sistemang nag-iimbak ng enerhiya na makakayanan ang mas maraming pagkarga at pagmamaneho bago kailangang palitan.

Ano pa ang kailangang maunawaan ng mga mananaliksik

Inilarawan sa kasunod na ulat ng UCI noong Mayo 2016 ang karagdagang pananaliksik upang maunawaan ang patong na manganese dioxide. Nakita ng mga mananaliksik na napigilan ng gel na magkawatak-watak ang materyal, ngunit sinisiyasat pa nila kung paano mismo nagbago ang materyal.

Ipinaliwanag ni Penner, bilang pangunahing may-akda at pinuno ng departamento ng kimika, ang kasunod na gawaing siyentipiko.

"Maraming pag-aaral na ginagawa ngayon si Mya upang mas maunawaan kung ano ang nangyayari sa materyal na manganese dioxide. Alam naming pinipigilan ng gel na magkawatak-watak ito, pero hindi namin alam kung naiiba ang natitirang materyal sa materyal na naroon sana kung walang gel," sabi ni Penner.

Mahalagang maunawaan ang prosesong ito upang maulit ang resulta at maiangkop ito sa ibang materyales. Kung matutukoy ng mga mananaliksik kung aling mga katangian ng gel at patong ang nagpapanatili sa electrode, mas sadya nilang madidisenyo ang mga estrukturang makakayanan ang paulit-ulit na pagkarga.

Isinagawa ang pananaliksik sa pakikipag-ugnayan sa Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center sa University of Maryland. Nagmula ang pondo sa dibisyon ng Basic Energy Sciences ng U.S. Department of Energy.

Mula sa mga nanowire na ginto tungo sa mga praktikal na baterya

Problema ang gastos sa ginto para sa malawakang produksyon. Sinaliksik ng mga mananaliksik ang mas murang mga alternatibo, kabilang ang nikel, bilang posibleng daan tungo sa mas matipid na disenyo. Kailangan ding suriin kung mapananatili ng electrode ang tibay ng orihinal na estruktura kapag pinalitan ang metal.

Kailangang pagsamahin sa isang kumpletong bateryang pangkomersiyo ang mahabang buhay ng mga siklo, sapat na nakaimbak na enerhiya, kapaki-pakinabang na lakas, maaasahang kaligtasan at abot-kayang proseso ng produksyon. Tinutugunan ng resulta ng UCI ang isang partikular na kahinaan ng eksperimental na electrode: ang pisikal na pagkasira sa paulit-ulit na siklo. Para maging produkto ang tagumpay na ito, kailangang matugunan din ang iba pang rekisito.

Tinukoy ng UCI ang mga computer, smartphone, kasangkapan sa bahay, kotse at sasakyang pangkalawakan bilang mga posibleng paggagamitan. Iba-iba ang hinihingi ng mga ito sa baterya. Kailangan ng telepono ng maliit na suplay ng enerhiya; kailangan ng sasakyan ng mas malaking sistemang nakapagbibigay ng malaking lakas; at kailangan ng sasakyang pangkalawakan ng maaasahang paggana sa mahihirap na kondisyon.

Naging principal scientist kalaunan si Thai sa Enevate, isang kompanya ng teknolohiya ng baterya sa U.S., kung saan nagtrabaho siya sa mga advanced na baterya para sa de-kuryenteng transportasyon. Nag-aplay rin siya ng mga patent para sa iba pang imbensyon, kabilang ang teknolohiyang nilalayong magpaantala sa pagkalat ng init sa pagitan ng mga cell. Nangyayari ang pagkalat ng init kapag kumalat ang init mula sa pumapalya na cell patungo sa mga kalapit na cell.

Walang inihayag na petsa ng paglalabas sa merkado ng teknolohiyang gumagamit ng mga nanowire na ginto sa mga ulat tungkol sa pananaliksik. Ipinakikita ng sumunod na karera ni Thai ang patuloy niyang pakikibahagi sa pagbuo ng mga baterya, kabilang ang mga hamon sa tibay at kaligtasan na lampas sa orihinal na eksperimento.

Mahahalagang yugto sa likod ng tuklas

Saklaw ng kuwento ang naunang resulta tungkol sa nanobaterya, mga buwan ng pagsubok sa laboratoryo at dalawang anunsyo ng UCI noong 2016. Kapag pinagsama ang mahahalagang yugtong ito, mas madaling maunawaan kung kailan nangyari at ano ang saklaw ng tuklas.

• 2007: Umabot sa iniulat na 40,000 siklo ang ibang konfigurasyon ng nanobaterya na binuo ng mga mananaliksik sa Stanford.
• Sa eksperimento ng UCI: Lumampas sa 10,000 at pagkatapos ay 30,000 siklo ang electrode na pinahiran ni Thai ng gel bago umabot sa 200,000 sa loob ng tatlong buwan.
• Abril 20, 2016: Inanunsyo ng UCI ang resulta, at inilathala ang mga natuklasan sa ACS Energy Letters.
• Mayo 16, 2016: Naglathala ang UCI ng kasunod na ulat tungkol sa nagpapatuloy na pananaliksik sa epekto ng gel sa manganese dioxide.
• Pagkaraan ng kanyang doctorate: Sumali si Thai sa pananaliksik sa baterya sa pribadong sektor at naging principal scientist sa Enevate.

Inilarawan ni Thai ang resulta batay sa pagbuti ng pisikal na katatagan ng electrode at sa posibilidad na makabuo ng matitibay na baterya. Bilang doctoral researcher na nanguna sa pag-aaral, sinabi niya:

Mas napapanatili ng pinahiran na electrode ang hugis nito, kaya mas maaasahan itong opsiyon," sabi ni Thai. "Pinatutunayan ng pananaliksik na ito na maaaring tumagal nang matagal ang electrode ng bateryang nakabatay sa nanowire at maisasakatuparan natin ang ganitong mga baterya.

Mahahalagang Punto

• Nakumpleto ng electrode ni Mya Le Thai sa UCI ang 200,000 siklo sa loob ng tatlong buwan nang walang nakitang pagkawala ng kapasidad o lakas o naputol na mga nanowire.
• Pinagsama sa disenyo ang mga nanowire na ginto, manganese dioxide at gel electrolyte na pinaniniwalaan ng mga mananaliksik na nakatulong upang maiwasan ang pagkabitak.
• Inilathala ang mga natuklasan sa ACS Energy Letters noong Abril 20, 2016.
• Nakabatay ang tantiya na 400 taon sa palagay na 500 siklo bawat taon; tatlong buwan ang itinagal ng pagsubok sa laboratoryo.
• Nananatiling pangunahing usapin sa komersiyal na pagbuo ang gastos sa ginto at mga rekisito ng isang kumpletong baterya.
• Naging principal scientist kalaunan si Thai sa Enevate, kung saan nagtrabaho siya sa mga baterya para sa de-kuryenteng transportasyon.