Hvad skal der til for at lave et bedre batteri?

Cambridge-forskere arbejder på at løse en af ​​teknologiens største gåder:hvordan man bygger næste generations batterier, der kan drive en grøn revolution.

Ligesom mange af os, når jeg vågner, rækker jeg ud efter telefonen på mit natbord og begynder at rulle gennem Twitter, Instagram, e-mail- og nyhedsapps. Jeg lytter til streamet musik, mens jeg gør mig klar til arbejde og podcasts under min pendling. Da jeg når kontoret, min telefon trænger allerede til et boost. Klokken er ikke engang 9.

Det er et moderne mirakel, at vi har computere i vores lommer, der er stærkere end dem, der understøttede månelandingerne. Men, på trods af at transistorerne inde i vores telefoner og bærbare computere er blevet mindre og hurtigere hvert år, de batterier, der driver dem, har ikke.

Nøglen til at gøre elektronik bærbar – og sætte gang i en markant forandring i, hvordan vi kommunikerer og forbruger information – var kommercialiseringen af ​​lithium-ion-batterier af Sony i 1991. Lithium-ion-batterier er genopladelige, så når enheden er tilsluttet en oplader, genopretter den batteriet til anden brug.

Mens lithium-ion-batterier har ubestridelige fordele, såsom relativt høje energitætheder og lang levetid sammenlignet med andre batterier og midler til energilagring, de kan også overophedes eller endda eksplodere og er relativt dyre at producere. Derudover deres energitæthed er ikke i nærheden af ​​benzin. Dette gør dem uegnede til udbredt brug i to store rene teknologier:elbiler og netlager til solenergi. Et bedre batteri kan gøre hele forskellen. Så hvad holder fremskridtet tilbage?

Professor Clare Gray er en af ​​Storbritanniens førende batteriforskere og leder en stor forskergruppe i Cambridges Department of Chemistry. Ved hjælp af metoder som NMR-spektroskopi, hendes gruppe studerer materialer, der kan bruges i næste generations batterier, brændselsceller og superkondensatorer.

Et bedre batteri er et, der kan lagre meget mere energi, eller et, der kan oplade meget hurtigere – ideelt set begge dele. Greys gruppe er ved at udvikle en række forskellige næste generations batterier, inklusive lithium-luft-batterier (som bruger oxidation af lithium og reduktion af ilt til at inducere en strøm), natrium batterier, magnesium batterier og redox flow batterier.

Et fungerende lithium-luftbatteri, for eksempel, ville have en teoretisk energitæthed ti gange større end et lithium-ion batteri, giver det potentielle anvendelser inden for bærbar elektronik, transport og netopbevaring. Imidlertid, selvom denne høje energitæthed ville være sammenlignelig med benzin, den praktiske opnåelige energitæthed er mærkbart lavere, og betydelige forskningsudfordringer skal løses.

Mens Gray arbejder sammen med industrielle partnere for at forbedre batterierne i elbiler i dag, hun siger, at universiteternes rolle er at tænke på helt nye typer batterier, som dem hun udvikler i sit laboratorium.

"Universiteterne skal komme med svar i ti til 15 år fra nu - vi er dem, der er bedst placeret til at innovere, tænke kreativt og skabe radikale, nye løsninger, " siger hun. "Vi vil gerne sikre os, at vores arbejde har en indflydelse langt ud over nutidens batterier."

Ud over at udvikle helt nye typer batterier, en vigtig del af Greys forskning er påvisning af fejl. Som en del af hendes professorat finansieret af Royal Society, Gray forsøger at finde måder at lokalisere fejl i batterier, før de sker.

"Kan vi opdage indikatorer for fejl i batterier, før de går galt? Hvis vi kan finde dem, så kunne vi potentielt forhindre batterier i at eksplodere. Ud over, vi ønsker at undersøge, om et bilbatteri, der er nået slutningen af ​​dets levetid, kan få et nyt liv på nettet, for eksempel. Hvis vi kunne træne, i realtid, hvad får batteriet til at nedbrydes, vi kunne ændre den måde, vi bruger batteriet på, sikre, at den holder længere, " siger hun. "Jo mere vi ved om et batteris sundhedstilstand, jo mere værdifuldt bliver batteriet. Begge strategier – at øge batterilevetiden og finde en anden brug – fører til billigere batterier."

Gray er også stærkt involveret i Faraday Institution, Storbritanniens uafhængige nationale batteriforskningsinstitut, finansieret af regeringen gennem dens industristrategi. Hun leder et af fire 'hurtig start'-projekter, med ni andre universiteter og ti industripartnere, at undersøge, hvordan miljømæssige og interne batteribelastninger (såsom høje temperaturer, opladnings- og afladningshastigheder) beskadiger elbilbatterier over tid.

"Når du tænker på andre elektroniske enheder, du tænker generelt kun på ét materiale, som er silicium, " siger Dr. Siân Dutton ved Cambridges Cavendish Laboratory i Institut for Fysik, og som også arbejder på Faraday Institution-projektet. "Men batterier er meget mere komplekse, fordi du har flere materialer at arbejde med, plus al emballagen, og du er nødt til at tænke over, hvordan alle disse komponenter interagerer med hinanden og med hvilken enhed du end sætter batteriet i."

Blandt andre projekter Duttons forskergruppe undersøger muligheden for en batterielektrolyt, der er fast i stedet for flydende. En af de primære sikkerhedsproblemer med lithium-ion-batterier er dannelsen af ​​dendritter – spinkle metalfibre, der får et batteri til at kortslutte, potentielt få batteriet til at antænde eller endda eksplodere.

"Hvis elektrolytten er fast, imidlertid, du kan stadig få dendritter, men batterierne er langt mindre tilbøjelige til at eksplodere, " siger hun. "Det er vigtigt for universiteter at se på ukonventionelle batterimaterialer som dem, vi undersøger. Hvis alle bevæger sig i samme retning, vi får ikke den virkelige forandring, vi har brug for."

Udsigten til en elbil med en rækkevidde på 1, 000 miles, eller en iPhone, der oplades på to minutter, eller være i stand til at bruge lagret solenergi efter solen går ned, kan alle være nogle år væk. Men, siger Grey:"Hvis vi mener det seriøst med at skifte til en kulstoffattig økonomi, vi er nødt til at tænke over, hvordan vi løser disse problemer nu. Vi fortsætter med at presse nye materialer og nye metoder, fordi uden dem, forskningsfelter stagnerer."