Eksperimen Bateri Mya Le Thai dengan 200,000 Kitaran: Pencapaian Penemuan UCI

Eksperimen tiga bulan dengan hasil luar biasa

Di sebuah makmal di University of California, Irvine, penyelidik kedoktoran Mya Le Thai berulang kali mengecas dan menyahcas elektrod eksperimen sehingga mencapai 200,000 kitaran. Selepas tiga bulan, para penyelidik tidak mengesan kehilangan kapasiti atau kuasa dan mendapati tiada wayar nano yang retak. UCI mengumumkan penemuan itu pada 20 April 2016, ketika kajian tersebut diterbitkan dalam ACS Energy Letters.

Bahan itu menggabungkan wayar nano emas, salutan mangan dioksida dan elektrolit gel yang menyerupai Plexiglas. Ketahanannya menawarkan kemungkinan penyelesaian kepada masalah yang sukar diatasi: wayar halus yang berguna untuk menyimpan tenaga elektrik cenderung retak apabila digunakan berulang kali.

Penemuan itu turut mencetuskan dakwaan yang menarik perhatian bahawa bateri komputer riba pada masa depan mungkin bertahan selama 400 tahun. Angka itu diperoleh dengan menukarkan jumlah kitaran eksperimen kepada tahun berdasarkan kadar penggunaan yang diandaikan. Pencapaian sebenar ialah elektrod makmal yang bertahan melalui 200,000 kitaran dalam ujian selama tiga bulan.

Hampir sedekad selepas pengumuman itu, hasil penyelidikan wayar nano tersebut kekal sebagai bukti konsep di makmal. Thai kemudian memperoleh ijazah kedoktoran dan beralih kepada penyelidikan bateri untuk pengangkutan elektrik. Eksperimennya terus menarik perhatian kerana ia menunjukkan cara mengekalkan bahan bateri yang rapuh supaya tidak rosak akibat penggunaan berulang.

Bagaimana lapisan gel nipis mengubah eksperimen

Thai, seorang penyelidik Amerika berketurunan Vietnam, sedang mengkaji wayar nano apabila beliau mencuba menambah salutan gel nipis pada struktur eksperimen itu. Elektrod terus berfungsi apabila ujian melepasi 10,000 kitaran dan, beberapa hari kemudian, 30,000 kitaran. Ujian akhirnya mencapai 200,000 kitaran.

Reginald Penner, penulis kanan kajian itu dan ketika itu ketua jabatan kimia UCI, menceritakan penemuan tidak dijangka tersebut dalam pengumuman April 2016 universiti itu.

Mya mencuba-cuba, lalu menyalut keseluruhan struktur ini dengan lapisan gel yang sangat nipis dan mula mengujinya melalui kitaran pengecasan dan penyahcasan," kata Penner. "Beliau mendapati bahawa dengan menggunakan gel ini sahaja, elektrod itu boleh melalui ratusan ribu kitaran tanpa kehilangan kapasiti.

Penner menyifatkan hasil itu sebagai mengejutkan kerana struktur yang setanding biasanya gagal selepas 5,000 hingga 7,000 kitaran. Berdasarkan angka itu, 200,000 kitaran elektrod UCI bersamaan kira-kira 29 hingga 40 kali ganda lebih banyak kitaran. Perbandingan itu menunjukkan peningkatan berbanding struktur yang dibincangkan Penner.

Unsur yang tidak disengajakan itu ialah keberkesanan rawatan gel tersebut. Untuk membuktikan nilainya, ujian berterusan diperlukan: Thai terus mengitar elektrod itu selama berbulan-bulan sambil memeriksa sama ada prestasi elektrik atau struktur fizikalnya merosot.

Mengapa wayar nano memerlukan perlindungan

Wayar nano beribu-ribu kali lebih nipis daripada rambut manusia. Wayar ini mengalirkan elektrik dengan baik dan mempunyai luas permukaan yang besar berbanding saiznya, menjadikannya bahan asas yang menarik untuk elektrod, iaitu bahagian bateri tempat cas disimpan dan dilepaskan melalui tindak balas elektrokimia.

Pengecasan dan penyahcasan berulang memberi tekanan pada struktur itu. UCI menjelaskan bahawa wayar nano boleh mengembang dan menjadi rapuh apabila digunakan dalam bateri litium-ion biasa. Retakan kemudian boleh terbentuk, memecahkan bahan yang perlu kekal bersambung supaya elektrod dapat berfungsi dengan berkesan.

Struktur eksperimen Thai mempunyai tiga unsur utama. Wayar nano emas membentuk teras, mangan dioksida mengelilinginya, dan elektrolit gel menyaluti keseluruhan struktur. Elektrolit membolehkan zarah bercas yang dipanggil ion bergerak melalui peranti penyimpanan tenaga.

Para penyelidik mencadangkan bahawa gel itu menjadikan oksida logam lebih kenyal. Dalam bahasa mudah, gel itu mungkin menjadikan salutan lebih fleksibel, lalu membolehkannya menahan pergerakan tanpa retak. Mengekalkan struktur supaya tidak rosak membantu elektrod mengekalkan prestasinya melalui kitaran berulang.

UCI melaporkan bahawa selepas ujian selama tiga bulan, elektrod itu tidak menunjukkan kehilangan kapasiti atau kuasa yang dapat dikesan, dan tiada wayar nano yang retak. Kapasiti menerangkan jumlah cas elektrik yang boleh disimpan oleh sesuatu peranti; kuasa pula menerangkan seberapa cepat peranti itu dapat membekalkan tenaga. Kedua-duanya penting untuk menghasilkan bateri yang berguna.

Maksud angka prestasi

Eksperimen itu juga dilaporkan mencapai kecekapan Coulomb purata sebanyak 94 hingga 96 peratus. Kecekapan Coulomb membandingkan cas yang diperoleh semula semasa penyahcasan dengan cas yang dimasukkan semasa pengecasan. Nilai 94 peratus bermaksud kira-kira 94 unit cas diperoleh semula bagi setiap 100 unit yang dibekalkan.

Pengekalan kapasiti dan kecekapan Coulomb menerangkan aspek prestasi yang berbeza. Pengekalan kapasiti menjejaki sama ada jumlah yang boleh disimpan oleh elektrod berkurangan selepas penggunaan berulang. Kecekapan Coulomb menjejaki cas yang masuk dan keluar semasa kitaran. Elektrod boleh mengekalkan kapasiti simpanannya tetapi memulangkan cas yang lebih sedikit daripada jumlah yang diterimanya.

Konfigurasi nanobateri Stanford yang dibangunkan pada 2007 sebelum ini mencapai 40,000 kitaran. Jumlah 200,000 kitaran UCI ialah lima kali ganda angka itu, walaupun kedua-dua peranti menggunakan konfigurasi berbeza. Oleh itu, reka bentuk dan keadaan ujian perlu dipertimbangkan ketika membandingkan hasilnya.

Perbandingan dengan bateri komputer riba juga mengagumkan. Berbanding 300 hingga 500 kitaran yang lazim disebut bagi bateri komputer riba biasa, 200,000 bersamaan 400 hingga kira-kira 667 kali ganda lebih banyak kitaran. Angka itu menjelaskan keterujaan terhadap eksperimen tersebut, sedangkan pembangunan komersial masih memerlukan bateri lengkap dengan kapasiti, bahan, keselamatan dan kos pembuatan yang sesuai.

Dari mana datangnya anggaran 400 tahun

Anggaran itu mengandaikan komputer riba melengkapkan 1,000 kitaran pengecasan setiap dua tahun, atau 500 kitaran setahun. Membahagikan 200,000 kitaran dengan 500 menghasilkan 400 tahun. Setiap langkah pengiraan itu mudah, tetapi tempoh kalendar tersebut ialah ekstrapolasi daripada hasil makmal.

Elektrod Thai mencapai jumlah kitarannya melalui ujian berterusan selama tiga bulan. Bateri dalam penggunaan harian juga menghabiskan masa dalam keadaan dicas separa, beroperasi pada suhu yang berubah-ubah dan perlu berfungsi bersama komponen lain. Produk siap perlu diuji dalam keadaan yang akan dihadapi penggunanya.

Matlamat praktikalnya ialah memanjangkan tempoh penggunaan sebelum bateri perlu diganti. Bagi pemilik komputer riba, ini mungkin bermakna bateri yang sama dapat digunakan sepanjang lebih banyak tempoh hayat komputer tersebut. Bagi pengeluar kenderaan, ia mungkin bermakna sistem penyimpanan tenaga yang mampu menahan lebih banyak pengecasan dan perjalanan sebelum perlu diganti.

Perkara yang masih perlu difahami oleh para penyelidik

Laporan susulan UCI pada Mei 2016 menghuraikan usaha lanjut untuk memahami salutan mangan dioksida. Para penyelidik dapat melihat bahawa gel itu menghalang bahan daripada terpecah menjadi ketulan, tetapi mereka masih mengkaji perubahan yang berlaku pada bahan itu sendiri.

Penner, yang ketika itu merupakan penulis kanan kajian dan ketua jabatan kimia, menerangkan tugasan saintifik seterusnya.

"Mya sedang menjalankan beberapa kajian untuk memahami dengan lebih baik apa yang berlaku pada bahan mangan dioksida itu. Kami tahu gel menghalangnya daripada terpecah menjadi ketulan, tetapi kami tidak tahu sama ada bahan yang tinggal itu berbeza daripada bahan yang akan kekal tanpa gel," kata Penner.

Memahami proses itu penting untuk menghasilkan semula hasil tersebut dan menyesuaikannya dengan bahan lain. Jika para penyelidik dapat mengenal pasti sifat gel dan salutan yang mengekalkan elektrod, mereka boleh mereka bentuk struktur dengan lebih terarah supaya tahan terhadap pengecasan berulang.

Kerja itu dijalankan dengan kerjasama Pusat Penyelidikan Tenaga Hadapan Nanostruktur untuk Penyimpanan Tenaga Elektrik di University of Maryland. Pembiayaan disediakan oleh bahagian Sains Tenaga Asas di Jabatan Tenaga A.S.

Daripada wayar nano emas kepada bateri praktikal

Emas menimbulkan masalah kos bagi pengeluaran berskala besar. Para penyelidik telah mengkaji alternatif yang lebih murah, termasuk nikel, sebagai kemungkinan untuk menghasilkan reka bentuk yang lebih ekonomik. Penggantian logam itu juga memerlukan pemeriksaan sama ada elektrod yang dihasilkan dapat mengekalkan ketahanan struktur asal.

Bateri komersial yang lengkap mesti menggabungkan jangka hayat kitaran yang panjang dengan tenaga tersimpan yang mencukupi, kuasa yang berguna, keselamatan yang boleh dipercayai dan proses pengeluaran yang mampu milik. Hasil UCI menangani kelemahan khusus dalam elektrod eksperimen: kerosakan fizikal ketika melalui kitaran berulang. Untuk menjadikan kejayaan itu sebuah produk, semua keperluan lain itu juga perlu dipenuhi serentak.

UCI mengenal pasti komputer, telefon pintar, perkakas elektrik, kereta dan kapal angkasa sebagai kemungkinan aplikasi. Setiap satunya akan menuntut keupayaan bateri yang berbeza. Telefon memerlukan bekalan tenaga yang kompak; kenderaan memerlukan sistem jauh lebih besar yang mampu membekalkan kuasa yang banyak; kapal angkasa pula memerlukan operasi yang boleh diharap dalam keadaan mencabar.

Thai kemudian menjadi saintis utama di Enevate, sebuah syarikat teknologi bateri A.S., dengan tumpuan pada bateri canggih untuk pengangkutan elektrik. Beliau juga telah memohon paten bagi ciptaan lain, termasuk teknologi yang bertujuan melambatkan penyebaran haba antara sel. Penyebaran haba berlaku apabila haba daripada sel yang gagal merebak ke sel berdekatan.

Tiada tarikh pelancaran komersial bagi teknologi wayar nano emas diumumkan dalam laporan mengenai kerja itu. Kerjaya Thai selepas itu menunjukkan penglibatan berterusannya dalam pembangunan bateri, termasuk menangani cabaran ketahanan dan keselamatan yang melangkaui eksperimen asal.

Pencapaian penting di sebalik penemuan itu

Kisah ini merangkumi hasil nanobateri terdahulu, ujian kitaran di makmal selama beberapa bulan dan dua pengumuman UCI pada 2016. Menghimpunkan pencapaian penting itu memudahkan kita memahami usia dan skop penemuan tersebut.

• 2007: Konfigurasi nanobateri berbeza yang dibangunkan penyelidik Stanford mencapai 40,000 kitaran, menurut laporan.
• Semasa eksperimen UCI: Elektrod bersalut gel Thai melepasi 10,000 dan kemudian 30,000 kitaran sebelum mencapai 200,000 dalam tempoh tiga bulan.
• 20 April 2016: UCI mengumumkan hasil itu, dan penemuan tersebut diterbitkan dalam ACS Energy Letters.
• 16 Mei 2016: UCI menerbitkan laporan susulan tentang penyelidikan berterusan mengenai kesan gel terhadap mangan dioksida.
• Selepas memperoleh ijazah kedoktoran: Thai menyertai penyelidikan bateri dalam industri dan menjadi saintis utama di Enevate.

Thai menggambarkan hasil itu dari segi kestabilan fizikal elektrod yang lebih baik serta kemungkinan membina bateri yang tahan lama. Sebagai penyelidik kedoktoran yang mengetuai kajian itu, beliau berkata:

Elektrod bersalut ini mengekalkan bentuknya dengan jauh lebih baik, menjadikannya pilihan yang lebih boleh diharap," kata Thai. "Penyelidikan ini membuktikan bahawa elektrod bateri berasaskan wayar nano boleh bertahan lama dan kita mampu merealisasikan bateri sebegini.

Perkara Utama

• Elektrod UCI Mya Le Thai melengkapkan 200,000 kitaran dalam tempoh tiga bulan tanpa kehilangan kapasiti atau kuasa yang dapat dikesan dan tanpa wayar nano yang retak.
• Reka bentuk itu menggabungkan wayar nano emas, mangan dioksida dan elektrolit gel yang dipercayai penyelidik membantu mencegah keretakan.
• Penemuan itu diterbitkan dalam ACS Energy Letters pada 20 April 2016.
• Anggaran 400 tahun dibuat dengan andaian 500 kitaran setahun; ujian makmal berlangsung selama tiga bulan.
• Kos emas dan keperluan untuk menghasilkan bateri lengkap kekal sebagai pertimbangan utama dalam pembangunan komersial.
• Thai kemudian menjadi saintis utama di Enevate, dengan tumpuan pada bateri untuk pengangkutan elektrik.