Nye materialer driver batterirevolutionen

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 i de sidste årtier. Ingen af ​​disse enheder ville være attraktive for brugerne, hvis de ikke havde strøm nok til at vare i mindst flere timer, uden at være særlig tung.

Lithium-ion-batterier er også nyttige i større applikationer, som elektriske køretøjer og smart-grid energilagringssystemer. Og forskeres innovationer inden for materialevidenskab, søger at forbedre lithium-ion-batterier, baner vejen for endnu flere batterier med endnu bedre ydelse. Der er allerede efterspørgsel efter højkapacitetsbatterier, der ikke vil tage ild eller eksplodere. Og mange mennesker har drømt om mindre, lettere batterier, der oplades på få minutter - eller endda sekunder - men alligevel gemmer nok energi til at drive en enhed i flere dage.

Forskere som mig, selvom, tænker endnu mere eventyrligt. Biler og netopbevaringssystemer ville være endnu bedre, hvis de kunne aflades og oplades titusindvis af gange i mange år, eller endda årtier. Vedligeholdelsespersonale og kunder ville elske batterier, der kunne overvåge sig selv og sende advarsler, hvis de var beskadigede eller ikke længere fungerede ved højeste ydeevne - eller endda kunne reparere sig selv. Og det kan ikke være for meget at drømme om dual-purpose batterier integreret i strukturen af ​​et emne, hjælper med at forme formen af ​​en smartphone, bil eller bygning, mens den også driver dens funktioner.

Alt det kan blive muligt, efterhånden som min forskning og andres hjælp hjælper forskere og ingeniører med at blive stadig dygtigere til at kontrollere og håndtere materie i omfang af individuelle atomer.

Nye materialer

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

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

Forskere finder måder at erstatte de koboltholdige materialer med katoder, der hovedsageligt er fremstillet af nikkel. Til sidst kan de muligvis erstatte nikkel med mangan. Hvert af disse metaller er billigere, mere rigelig og mere sikker at arbejde med end sin forgænger. Men de kommer med en afvejning, fordi de har kemiske egenskaber, der forkorter deres batteriers levetid.

Forskere ser også på at udskifte de lithiumioner, der skifter mellem de to elektroder med ioner og elektrolytter, der kan være billigere og potentielt sikrere, ligesom dem baseret på natrium, magnesium, zink eller aluminium.

Min forskergruppe ser på mulighederne for at bruge todimensionale materialer, i det væsentlige ekstremt tynde ark af stoffer med nyttige elektroniske egenskaber. Grafen er måske den mest kendte af disse-et lag kulstof kun et atom tykt. Vi vil se, om stabling af lag af forskellige todimensionale materialer og derefter infiltrering af stakken med vand eller andre ledende væsker kan være nøglekomponenter i batterier, der genoplades meget hurtigt.

Ser ind i batteriet

Det er ikke kun nye materialer, der udvider verden inden for batteriinnovation:Nyt udstyr og metoder lader også forskere lettere se, hvad der sker inde i batterier, end det engang var muligt.

I fortiden, forskere kørte et batteri gennem en bestemt opladningsudladningsproces eller antal cyklusser, og derefter fjernet materialet fra batteriet og undersøgt det efter faktum. Først da kunne lærde lære, hvilke kemiske ændringer der var sket under processen og udlede, hvordan batteriet rent faktisk fungerede, og hvad der påvirkede dets ydeevne.

Men nu, forskere kan se batterimaterialer, når de gennemgår energilagringsprocessen, analysere selv deres atomstruktur og sammensætning i realtid. Vi kan bruge sofistikerede spektroskopiteknikker, såsom røntgenteknikker tilgængelige med en type partikelaccelerator kaldet en synkrotron-samt elektronmikroskoper og scanningsprober-for at se ioner bevæge sig og fysiske strukturer ændres, når energi lagres i og frigives fra materialer i et batteri.

Disse metoder lader forskere som mig forestille mig nye batteristrukturer og materialer, lav dem og se, hvor godt - eller ej - de fungerer. Den vej, vi vil være i stand til at holde revolutionen i batterimaterialerne i gang.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.