Hvorfor Smartphones kan få en opgradering med denne nye batteriteknologi

Der er flere mobiltelefoner i verden end der er mennesker. Næsten alle er drevet af genopladelige lithium-ion-batterier, som er den vigtigste komponent, der muliggør den bærbare elektronikrevolution de sidste par årtier. Ingen af ​​disse enheder ville være attraktive for brugerne, hvis de ikke havde tilstrækkelig magt til at vare i mindst adskillige timer uden at være særlig tunge.

Lithium-ion-batterier er også nyttige i større anvendelser, som elektriske køretøjer og smart-grid energilagringssystemer. Og forskernes innovationer inden for materialevidenskab, der søger at forbedre lithium-ion-batterier, baner vejen for endnu flere batterier med endnu bedre ydelse. Der er allerede efterspørgselsdannelse til batterier med høj kapacitet, der ikke brænder eller eksploderer. Og mange mennesker har drømt om mindre, lettere batterier, der oplader i minutter - eller endda sekunder - men alligevel opbevarer nok energi til at køre en enhed i dagevis.

Forskere som mig tænker dog endnu mere eventyrlyst. Biler og gitteropbevaringssystemer ville være endnu bedre, hvis de kunne blive afladet og opladet titusinder gange over mange år eller endog årtier. Vedligeholdelsesbesætninger og kunder ville elske batterier, som kunne overvåge sig selv og sende advarsler, hvis de blev beskadiget eller ikke længere fungerer ved højeste ydeevne - eller endda kunne reparere sig selv. Og det kan ikke være for meget at drømme om dual-purpose batterier integreret i en enheds struktur, der hjælper med at forme formularen af ​​en smartphone, bil eller bygning, mens den også driver sine funktioner.

Alt, hvad der kan blive muligt som min forskning og andres hjælpforskere og ingeniører bliver mere og mere dygtige til at kontrollere og håndtere spørgsmål i omfanget af de enkelte atomer.

Emerging Materials

For det meste vil fremskridt i energilagring stole på den fortsatte udvikling af materialevidenskab, skubbe grænserne for ydeevnen for eksisterende batterimaterialer og udvikle helt nye batteristrukturer og kompositioner.

Batteriindustrien arbejder allerede for at reducere omkostningerne ved lithium-ion-batterier, herunder ved at fjerne dyrt kobolt fra deres positive elektroder kaldet katoder. Dette ville også reducere de menneskelige omkostninger for disse batterier, fordi mange miner i Congo, verdens førende kilde til kobolt, bruger børn til at gøre vanskeligt manuel arbejde.

Se også: Dette halvt batteri, Half Solar Cell Hybrid kunne være en total spilskifter

Forskere finder måder at erstatte de koboltholdige materialer med katoder, der hovedsagelig fremstilles af nikkel. Til sidst kan de måske erstatte nikkel med mangan. Hvert af disse metaller er billigere, mere rigeligt og mere sikkert at arbejde med end dets forgænger. Men de kommer med en afvejning, fordi de har kemiske egenskaber, der forkorter deres batteriers levetider.

Forskere ser også på at erstatte litiumionerne, der skifter mellem de to elektroder med ioner og elektrolytter, der kan være billigere og muligvis mere sikre, som dem, der er baseret på natrium, magnesium, zink eller aluminium.

Min forskningsgruppe ser på mulighederne for at bruge todimensionale materialer, i det væsentlige ekstremt tynde ark af stoffer med nyttige elektroniske egenskaber. Graphen er måske den mest kendte af disse - et ark med kulstof, kun et atom tykt. Vi ønsker at se, om der opsamles lag af forskellige todimensionale materialer og derefter infiltrere stakken med vand eller andre ledende væsker, kunne være nøglekomponenter i batterier, der genoplader meget hurtigt.

Ser inde i batteriet

Det er ikke bare nye materialer, der udvider verden af ​​batterinovation: Nyt udstyr og metoder gør det også muligt for forskerne at se, hvad der sker indenfor batterierne meget lettere end det engang var muligt.

Tidligere løb forskere et batteri gennem en bestemt ladning-udladningsproces eller antal cyklusser, og derefter fjernede materialet fra batteriet og undersøgte det efter det faktum. Først da kunne lærde lære, hvilke kemiske ændringer der var sket under processen, og konkludere, hvordan batteriet faktisk fungerede, og hvad påvirker dets ydelse.

Men nu kan forskere se batterimaterialer, når de gennemgår energilagringsprocessen, analyserer selv deres atomstruktur og sammensætning i realtid. Vi kan anvende avancerede spektroskopiteknikker, som f.eks. Røntgenteknikker, der er tilgængelige med en type partikelaccelerator kaldet en synkrotron - såvel som elektronmikroskoper og scanningsprober - for at se ioner flytte og fysiske strukturer ændres, da energi opbevares i og frigives fra materialer i et batteri.

Se også: Hvordan et batteri gennembrud kan føre til elektriske biler, der oplades i sekunder

Disse metoder gør det muligt for forskere som mig at forestille sig nye batteristrukturer og materialer, gøre dem og se hvor godt - eller ej - de arbejder. På den måde vil vi kunne holde batteriematerialets revolution på vej.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Veronica Augustyn. Læs den oprindelige artikel her.