Maint bach, pŵer enfawr: Dadorchuddio'r "Dewin Dargludol" y tu ôl i Batris Lithiwm - Gludo Dargludol Carbon Nanotube
Pan fyddwch chi'n rhyfeddu at gyflymiad crasboeth cerbydau trydan neu'n mwynhau bywyd batri eich ffôn clyfar drwy'r dydd, a ydych chi erioed wedi meddwl beth sy'n pweru rhyddhau ynni'r batris ion lithiwm hyn? Mae'r ateb yn gorwedd mewn rôl ymddangosiadol ddi-nod ond hanfodol o fewn y batri - yr asiant dargludol. Ac mae prif gymeriad heddiw, past dargludol nanotiwb carbon, yn dod i'r amlwg fel "seren gynyddol" yn y maes hwn, gan gychwyn chwyldro mewn deunyddiau ynni yn dawel.
Yr esblygiad o "powdr du" i "nanowires"
Mewn batris ïon lithiwm traddodiadol, yr asiant dargludol a ddefnyddir yn gyffredin yw carbon du (fel Super-P), sy'n fath o ddeunydd gronynnog "sero-dimensiwn". Maen nhw fel peli pong ping bach, wedi'u gwasgaru ymhlith deunyddiau gweithredol yr electrodau (fel ffosffad haearn lithiwm, deunyddiau teiran). Er eu bod yn gallu darparu llwybr dargludol penodol, mae'r dull cyswllt "pwyntio" hwn yn aneffeithlon, yn union fel dibynnu ar gychod bach ar gyfer fferi rhwng ynysoedd anghysbell.
Mae ymddangosiad nanotiwbiau carbon wedi newid y sefyllfa hon yn llwyr. Fel nanomaterial "un dimensiwn", gellir deall nanotiwbiau carbon yn glir fel tiwbiau gwag bach a ffurfiwyd gan graffen cyrlio. Dim ond ychydig o nanometrau yw eu diamedrau, tra gall eu hydoedd gyrraedd sawl degau o ficrometrau, gyda chymhareb hyd{3}i-diamedr o dros 1000:1. Mae'r past dargludol nanotiwb carbon a wneir ohono yn bast dargludol sefydlog a ffurfiwyd trwy wasgaru'r "ceblau nanoscale" anweledig hyn yn unffurf mewn toddydd.
Pam mae'n cael ei alw'n "Yr Un a Ddewiswyd"?
Y rheswm pam mae nanotiwbiau carbon wedi sefyll allan ym maes cyfryngau dargludol yw eu rhinweddau rhagorol cynhenid:
Adeiladu rhwydwaith dargludol tri dimensiwn: Oherwydd eu cymhareb agwedd hynod o uchel, nid yw nanotiwbiau carbon yn bodoli'n annibynnol fel carbon du. Gallant ryng-gysylltu â'i gilydd o fewn yr electrod, gan ffurfio rhwydwaith dargludol tri dimensiwn sy'n cael ei groesi fel rhwydwaith priffyrdd. Mae'r rhwydwaith hwn yn cysylltu'r gronynnau deunydd gweithredol yn dynn, gan wella'n sylweddol effeithlonrwydd trosglwyddo electronau.
Swm ychwanegiad hynod o isel, effeithlonrwydd hynod o uchel: Mae asiantau dargludol du carbon traddodiadol yn gofyn am ychwanegiad llawer uwch (tua 3%) i gyflawni canlyniadau da. Fodd bynnag, mae nanotiwbiau carbon, diolch i'w rhwydwaith dargludol hynod effeithlon, fel arfer ond angen ychwanegiad o 0.5% - 1.5%. Beth mae hyn yn ei olygu? Mae'n golygu y gellir cadw mwy o le ar gyfer y deunyddiau gweithredol sy'n wirioneddol storio ynni, a thrwy hynny wella dwysedd ynni'r batri yn uniongyrchol.
Y cyfuniad eithaf o "pwynt-llinell-awyren": Mae'r dechnoleg ddiweddaraf ar hyn o bryd yn ymwneud â chyfuniad o nanotiwbiau carbon â graphene (deunydd dalen dau ddimensiwn). Mae'r nanotiwbiau carbon (llinellau) wedi'u gwasgaru rhwng y graphene (planes) a'r gronynnau gweithredol (pwyntiau), gan ffurfio pwynt perffaith-llinell-tri-cyswllt dargludol dimensiwn. Mae perfformiad dargludol yr asiant dargludol cyfansawdd hwn dros 40 gwaith yn fwy na pherfformiad carbon du traddodiadol, gydag effaith syfrdanol.
Heb fod yn gyfyngedig i ddargludedd: Gwella perfformiad cynhwysfawr
Mae'r batris sydd wedi ychwanegu past nanotiwb carbon dargludol yn cynnig buddion ymhell y tu hwnt i hyn:
Perfformiad y gymhareb foltedd wedi gwella'n sylweddol: Yn ystod{0}}presennol uchel o wefru a gollwng, mae'r rhwydwaith dargludol effeithlon yn galluogi electronau i basio drwodd yn gyflym, gan arwain at berfformiad rhagorol y batri mewn senarios gwefru cyflym. Ar yr un pryd, mae'n lleihau'n sylweddol y cynnydd tymheredd ar wyneb y batri (mae astudiaethau wedi dangos y gellir ei leihau bron i 20 gradd), a thrwy hynny wella diogelwch.
Bywyd beicio estynedig: Mae'r rhwydwaith dargludol sefydlog yn helpu i gynnal uniondeb y strwythur electrod wrth wefru a gollwng, gan leihau malurio a datgysylltu deunyddiau gweithredol, a thrwy hynny wneud y batri yn fwy "hir-".
Gostyngodd ymwrthedd mewnol yn sylweddol: Mae llwybr electronig llyfn yn golygu bod llai o golled o fewn y batri, ac mae mwy o ynni ar gael i gerbydau pŵer neu ddyfeisiau symudol.
Ffyniant y Farchnad: Pŵer Tsieineaidd yn Gosod y Tuedd
Gyda thwf ffrwydrol cerbydau ynni newydd a storio ynni, mae'r farchnad ar gyfer pastau dargludol nanotiwb carbon wedi mynd i oes aur. Mae data'n dangos, mor gynnar â 2018, bod llwythi past dargludol nanotiwb carbon Tsieina wedi cyrraedd 32,500 o dunelli, gan gyfrif am 94.5% o'r farchnad fyd-eang, gan ei gwneud yn arweinydd absoliwt. Yn y blynyddoedd diwethaf, mae'r farchnad hon wedi parhau i ehangu. Yn ôl sefydliadau ymchwil, disgwylir i'r farchnad fyd-eang ar gyfer pastau dargludol CNT carbon nanotiwb fod tua 6.09 biliwn yuan yn 2024, a rhagwelir y bydd yn agosáu at 32.02 biliwn yuan erbyn 2031, gyda chyfradd twf blynyddol cyfansawdd o 26.9%.
Mae'r gostyngiad yn y pris hefyd wedi ysgogi ei gymhwysiad ar raddfa eang. Gydag aeddfedrwydd prosesau cynhyrchu, mae cost past dargludol nanotiwb carbon wedi gostwng yn sylweddol. Ar hyn o bryd, mae'n cyflymu ailosod carbon du traddodiadol ym maes pŵer batri.
Heriau a'r Dyfodol
Er bod y rhagolygon yn addawol, mae pastau dargludol nanotiwb carbon hefyd yn wynebu "poenau cynyddol". Yr her dechnegol fwyaf yw gwasgariad. Oherwydd eu harwynebedd penodol mawr a'u grymoedd rhyngfoleciwlaidd cryf, mae nanotiwbiau carbon yn dueddol o gael eu crynhoi a'u maglu. Sut i'w gwasgaru'n unffurf ac yn sefydlog yn y toddydd heb niweidio eu strwythur yw'r allwedd i brofi technolegau craidd pob gwneuthurwr.
Ar hyn o bryd, mae'r pastau dargludol prif ffrwd wedi'u rhannu'n ddau gategori: seiliedig ar olew (gan ddefnyddio NMP fel y toddydd) a dŵr (defnyddio dŵr fel toddydd), sy'n cyfateb i wahanol brosesau cynhyrchu electrod. Yn y dyfodol, gyda phoblogeiddio technolegau dwysedd ynni uchel fel electrodau carbon negyddol silicon, bydd y galw am rwydweithiau dargludol effeithlon hyd yn oed yn fwy brys, a bydd cwmpas cymhwyso pastau dargludol nanotiwb carbon hyd yn oed yn ehangach.
Casgliad
O'r tiwbiau bach di-ri yn y byd microsgopig i yrru olwynion y byd macrosgopig i droelli, mae past dargludol nanotiwb carbon yn ymgorffori swyn gwyddonol "deunyddiau bach, cyflawniadau gwych" yn berffaith. Nid yn unig y "hudiwr" sy'n gwella perfformiad batri, ond hefyd yn rym cudd anhepgor ar ein llwybr tuag at y dyfodol trydan. Y tro nesaf y byddwch chi'n mwynhau'r cyfleustra a ddaw yn sgil ynni cludadwy, efallai y byddwch am feddwl am y "ceblau nanoscale" hyn yn gweithio'n dawel.