Zakaj lahko pametni telefoni dobijo nadgradnjo s to novo baterijo Tech

Na svetu je več mobilnih telefonov, kot jih je ljudi. Skoraj vse so napajane z litij-ionskimi baterijami, ki jih je mogoče ponovno napolniti, kar je najpomembnejša komponenta, ki omogoča revolucijo prenosne elektronike v zadnjih nekaj desetletjih. Nobena od teh naprav ne bi bila privlačna za uporabnike, če ne bi imeli dovolj moči, da bi trajali vsaj nekaj ur, ne da bi bili še posebej težki.

Litij-ionske baterije so uporabne tudi v večjih aplikacijah, kot so električna vozila in pametni sistemi za shranjevanje energije. In novosti na področju znanosti o materialih, ki želijo izboljšati litij-ionske baterije, utirajo pot za še več baterij s še boljšo zmogljivostjo. Za baterije z visoko zmogljivostjo, ki se ne bodo vžgale ali eksplodirale, že obstaja potreba po oblikovanju. Veliko ljudi je sanjalo o manjših, lažjih baterijah, ki se polnijo v nekaj minutah - ali celo v sekundah - vendar hranijo dovolj energije za napajanje naprave več dni.

Raziskovalci, kot sem jaz, pa razmišljajo še bolj pustolovsko. Avtomobili in sistemi za shranjevanje omrežij bi bili še boljši, če bi jih lahko izpraznili in ponovno napolnili več deset tisočkrat v mnogih letih ali celo desetletjih. Vzdrževalne posadke in kupci bi radi uživali v baterijah, ki bi lahko spremljale same sebe in pošiljale opozorila, če bi bila poškodovana ali ne bi več delovala ob vrhunski uspešnosti - ali pa bi se lahko celo popravila. In ne more biti preveč sanjati o baterijah z dvojnim namenom, ki so integrirane v strukturo izdelka in pomagajo oblikovati obliko pametnega telefona, avtomobila ali zgradbe, hkrati pa napajajo njegove funkcije.

Vse to lahko postane mogoče, saj moje raziskave in drugi pomagajo znanstvenikom in inženirjem, da postanejo vedno bolj spretni pri nadzorovanju in ravnanju s snovmi na lestvici posameznih atomov.

Nastajajoči materiali

Napredek pri shranjevanju energije se bo večinoma zanašal na nenehen razvoj znanosti o materialih, s čimer se bodo omejile zmogljivosti obstoječih baterijskih materialov in razvile popolnoma nove strukture in sestave baterij.

Industrija baterij si že prizadeva zmanjšati stroške litij-ionskih baterij, vključno z odstranitvijo dragih kobalta iz pozitivnih elektrod, ki se imenujejo katode. To bi tudi zmanjšalo človeške stroške teh baterij, saj mnogi rudniki v Kongu, ki so vodilni svetovni vir kobalta, uporabljajo otroke za težko fizično delo.

Glej tudi: Ta pol polnila, hibridna polovica sončnih celic bi lahko bila skupna igra

Raziskovalci najdejo načine za zamenjavo materialov, ki vsebujejo kobalt, s katodami, ki so večinoma izdelane iz niklja. Sčasoma lahko nadomestijo nikelj z manganom. Vsaka od teh kovin je cenejša, bogatejša in varnejša za delo kot njen predhodnik. Vendar pa pridejo do kompromisa, ker imajo kemične lastnosti, ki skrajšajo življenjsko dobo baterij.

Raziskovalci se ukvarjajo tudi z zamenjavo litijevih ionov, ki vozijo med dvema elektrodama, z ioni in elektroliti, ki so lahko cenejši in potencialno varnejši, na primer tisti, ki temeljijo na natriju, magneziju, cinku ali aluminiju.

Moja raziskovalna skupina preučuje možnosti uporabe dvodimenzionalnih materialov, v bistvu zelo tankih listov snovi z uporabnimi elektronskimi lastnostmi. Grapen je morda najbolj znan od teh - list ogljika debeline samo en atom. Želimo si ugotoviti, ali bi bilo lahko zlaganje plasti različnih dvodimenzionalnih materialov in nato infiltracija v sklad z vodo ali drugimi prevodnimi tekočinami ključni sestavni deli baterij, ki se hitro napolnijo.

Če pogledamo znotraj baterije

Ne samo novi materiali širijo svet inovacij baterij: nova oprema in metode omogočajo raziskovalcem, da vidijo, kaj se dogaja v baterijah, veliko lažje, kot je bilo mogoče.

V preteklosti so raziskovalci vodili baterijo skozi določen proces razelektritve ali število ciklov, nato pa odstranili material iz baterije in ga pregledali po tem. Šele takrat bi lahko učenci izvedeli, katere kemijske spremembe so se zgodile med postopkom in sklepale, kako je baterija dejansko delovala in kaj je vplivalo na njeno delovanje.

Zdaj pa lahko raziskovalci gledajo materiale baterij, ko so podvrženi procesu shranjevanja energije, in analizirajo celo njihovo atomsko strukturo in sestavo v realnem času. Lahko uporabimo sofisticirane tehnike spektroskopije, kot so rentgenske tehnike, ki so na voljo s tipom pospeševalnika delcev, imenovanim sinhrotron, pa tudi elektronskimi mikroskopi in skenirnimi sondami, da bi opazovali gibanje ionov in spreminjali fizične strukture, ko se energija shranjuje in odvaja iz materialov. v bateriji.

Glej tudi: Kako akumulatorski preboj lahko vodi do električnih avtomobilov, ki se polnijo v nekaj sekundah

Te metode omogočajo raziskovalcem, kot sem jaz, predstavljati nove strukture in materiale za baterije, jih narediti in videti, kako dobro - ali ne - delajo. Tako bomo lahko ohranjali revolucijo baterijskih materialov.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Veronice Augustyn. Preberite izvirni članek tukaj.