Hvorfor Smartphones kan få en oppgradering med denne nye batteriteknikken

Det er flere mobiltelefoner i verden enn det er folk. Nesten alle av dem er drevet av oppladbare litiumionbatterier, som er den viktigste komponenten som muliggjør den bærbare elektronikkrevolusjonen de siste tiårene. Ingen av disse enhetene ville være attraktivt for brukere hvis de ikke hadde nok strøm til å vare i minst flere timer uten å være spesielt tung.

Lithium-ion-batterier er også nyttige i større applikasjoner, som elektriske kjøretøyer og smart-grid-energilagringssystemer. Og forskernes innovasjoner innen materialvitenskap, som søker å forbedre litiumionbatterier, baner vei for enda flere batterier med enda bedre ytelse. Det er allerede etterspørselsformgivning for batterier med høy kapasitet som ikke vil brenne eller eksplodere. Og mange mennesker har drømt om mindre, lettere batterier som lades i minutter - eller til og med sekunder - men lagrer nok energi til å koble til en enhet i flere dager.

Forskere som meg, men tenker enda mer eventyrlystne. Biler og rutenettlagringssystemer ville være enda bedre hvis de kunne bli utladet og ladet opp titusenvis av ganger over mange år, eller til og med tiår. Vedlikeholdspersoner og kunder vil elske batterier som kan overvåke seg selv og sende varsler om de var skadet eller ikke lenger fungerer ved topp ytelse - eller selv kunne klare seg selv. Og det kan ikke være for mye å drømme om dual-purpose batterier integrert i strukturen til et element, som bidrar til å forme formen til en smarttelefon, bil eller bygning, mens den også driver sine funksjoner.

Alt som kan bli mulig som min forskning og andres hjelpeforskere og ingeniører blir stadig mer dygtige til å kontrollere og håndtere saker i omfanget av individuelle atomer.

Emerging Materials

For det meste vil fremskrittene i energilagring stole på den fortsatte utviklingen av materialvitenskap, skape ytelsesgrenser for eksisterende batterimaterialer og utvikle helt nye batteristrukturer og komposisjoner.

Batteriindustrien arbeider allerede for å redusere kostnadene for litiumionbatterier, blant annet ved å fjerne dyrt kobolt fra deres positive elektroder, kalt katoder. Dette vil også redusere den menneskelige kostnaden for disse batteriene, fordi mange gruver i Kongo, verdens ledende kilde til kobolt, bruker barn til å gjøre vanskelig manuell arbeidskraft.

Se også: Dette halvt batteri, Half Solar Cell Hybrid, kan være en total spillbytter

Forskere finner måter å erstatte de koboltholdige materialene med katoder som hovedsakelig er laget av nikkel. Til slutt kan de kanskje erstatte nikkel med mangan. Hver av disse metaller er billigere, mer rikelig og tryggere å jobbe med enn sin forgjenger. Men de kommer med en avgang, fordi de har kjemiske egenskaper som forkorter batteriernes levetid.

Forskere ser også på å erstatte litiumioner som skifter mellom de to elektrodene med ioner og elektrolytter som kan være billigere og potensielt tryggere, som de som er basert på natrium, magnesium, sink eller aluminium.

Min forskningsgruppe ser på mulighetene for å bruke todimensjonale materialer, i hovedsak ekstremt tynne ark med nyttige elektroniske egenskaper. Grafen er kanskje den mest kjente av disse - et ark med karbon bare ett atom tykt. Vi ønsker å se om å stable opp lag av forskjellige todimensjonale materialer og deretter infiltrere stakken med vann eller andre ledende væsker, kunne være nøkkelkomponenter for batterier som lades opp veldig raskt.

Ser inne i batteriet

Det er ikke bare nye materialer som utvider verden av batteriinnovasjon: Nytt utstyr og metoder lar forskere se hva som skjer inni batterier lettere enn det som var mulig.

Tidligere kjørte forskere et batteri gjennom en bestemt ladning-utladningsprosess eller antall sykluser, og deretter fjernet materialet fra batteriet og undersøkte det etter det faktum. Først da kunne lærde lærer hvilke kjemiske endringer som hadde skjedd under prosessen, og avlede hvordan batteriet faktisk virket og hva påvirket dets ytelse.

Men nå kan forskere se batterimaterialer ettersom de gjennomgår energilagringsprosessen, analyserer selv deres atomstruktur og sammensetning i sanntid. Vi kan bruke sofistikerte spektroskopi teknikker, som røntgenteknikker tilgjengelig med en type partikkel akselerator kalt en synkrotron - så vel som elektronmikroskop og skanning prober - for å se at ioner beveger seg og fysiske strukturer endres ettersom energi lagres i og frigjøres fra materialer i et batteri.

Se også: Hvordan et batteri gjennombrudd kan føre til elektriske biler som belastes i sekunder

Disse metodene la forskere som meg forestille seg nye batteristrukturer og materialer, lage dem og se hvor bra - eller ikke - de jobber. På den måten kan vi holde batterimaterialets revolusjon på gang.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Veronica Augustyn. Les den opprinnelige artikkelen her.