Dlaczego smartfony mogą uzyskać aktualizację dzięki nowej technologii baterii

Na świecie jest więcej telefonów komórkowych niż ludzi. Prawie wszystkie z nich są zasilane akumulatorami litowo-jonowymi, które są najważniejszym elementem umożliwiającym rewolucję przenośnych urządzeń elektronicznych w ciągu ostatnich kilku dekad. Żadne z tych urządzeń nie byłoby atrakcyjne dla użytkowników, gdyby nie mieli wystarczającej mocy, aby wytrzymać co najmniej kilka godzin, nie będąc szczególnie ciężkimi.

Akumulatory litowo-jonowe są również użyteczne w większych zastosowaniach, takich jak pojazdy elektryczne i inteligentne systemy magazynowania energii. Innowacje naukowców w dziedzinie materiałoznawstwa, mające na celu ulepszenie akumulatorów litowo-jonowych, torują drogę jeszcze większej liczbie akumulatorów o jeszcze lepszej wydajności. Istnieje już zapotrzebowanie na akumulatory o dużej pojemności, które nie zapalą się ani nie eksplodują. Wiele osób marzyło o mniejszych, lżejszych akumulatorach, które ładują się w ciągu kilku minut - a nawet sekund - a jednocześnie magazynują wystarczającą ilość energii do zasilania urządzenia przez wiele dni.

Jednak naukowcy tacy jak ja myślą jeszcze bardziej ryzykownie. Samochody i systemy magazynowania sieci byłyby jeszcze lepsze, gdyby mogły być rozładowywane i ładowane dziesiątki tysięcy razy w ciągu wielu lat, a nawet dziesięcioleci. Ekipy remontowe i klienci pokochaliby baterie, które mogłyby monitorować siebie i wysyłać powiadomienia, gdyby były uszkodzone lub przestały działać przy maksymalnej wydajności - lub nawet były w stanie się naprawić. Marzenie o dwufunkcyjnych bateriach zintegrowanych ze strukturą przedmiotu nie może być zbyt wiele, pomagając kształtować formę smartfona, samochodu lub budynku, jednocześnie zasilając jego funkcje.

Wszystko to może stać się możliwe, ponieważ moje badania i inne pomagają naukowcom i inżynierom stawać się coraz bardziej biegli w kontrolowaniu i obchodzeniu się z materią w skali poszczególnych atomów.

Nowe materiały

W większości postępy w magazynowaniu energii będą zależeć od ciągłego rozwoju materiałoznawstwa, przesuwania granic wydajności istniejących materiałów akumulatorowych i opracowywania całkowicie nowych struktur i kompozycji baterii.

Przemysł baterii już pracuje nad obniżeniem kosztów baterii litowo-jonowych, w tym poprzez usunięcie drogiego kobaltu z elektrod dodatnich, zwanych katodami. Zmniejszyłoby to również koszty ludzkie związane z tymi bateriami, ponieważ wiele kopalni w Kongo, wiodącym na świecie źródle kobaltu, wykorzystuje dzieci do trudnej pracy fizycznej.

Zobacz także: Hybrydowa, pół-ogniwa, pół ogniwa słonecznego może być całkowitym zmieniaczem gier

Naukowcy szukają sposobów zastąpienia materiałów zawierających kobalt katodami wykonanymi głównie z niklu. Ostatecznie mogą one zastąpić nikiel manganem. Każdy z tych metali jest tańszy, bardziej obfity i bezpieczniejszy w obsłudze niż jego poprzednik. Ale mają kompromis, ponieważ mają właściwości chemiczne, które skracają żywotność baterii.

Naukowcy przyglądają się również zastąpieniu jonów litu, które przenoszą się między dwiema elektrodami, jonami i elektrolitami, które mogą być tańsze i potencjalnie bezpieczniejsze, jak te oparte na sodu, magnezu, cynku lub aluminium.

Moja grupa badawcza przygląda się możliwościom wykorzystania materiałów dwuwymiarowych, zasadniczo bardzo cienkich arkuszy substancji o przydatnych właściwościach elektronicznych. Grafen jest chyba najbardziej znanym z nich - arkusz węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Chcemy sprawdzić, czy układanie warstw różnych materiałów dwuwymiarowych, a następnie infiltracja stosu wodą lub innymi płynami przewodzącymi może być kluczowym elementem akumulatorów, które szybko się ładują.

Patrząc do wnętrza baterii

Nie tylko nowe materiały poszerzają świat innowacji w zakresie baterii: nowe urządzenia i metody pozwalają badaczom znacznie łatwiej zobaczyć, co dzieje się w bateriach niż kiedyś.

W przeszłości badacze uruchamiali baterię przez określony proces ładowania lub rozładowywania, a następnie usuwali materiał z baterii i badali go po fakcie. Dopiero wtedy uczeni mogli dowiedzieć się, jakie zmiany chemiczne zaszły w trakcie procesu i ustalić, w jaki sposób bateria rzeczywiście działała i co wpłynęło na jej wydajność.

Ale teraz naukowcy mogą oglądać materiały akumulatorowe, gdy przechodzą proces magazynowania energii, analizując nawet ich strukturę atomową i skład w czasie rzeczywistym. Możemy użyć zaawansowanych technik spektroskopowych, takich jak techniki rentgenowskie dostępne z akceleratorem cząstek zwanym synchrotronem - a także mikroskopy elektronowe i sondy skanujące - aby obserwować ruch jonów i zmiany struktur fizycznych, gdy energia jest magazynowana i uwalniana z materiałów w baterii.

Zobacz także: Jak przełom w akumulatorze może prowadzić do ładowania samochodów elektrycznych w ciągu kilku sekund

Te metody pozwalają badaczom takim jak ja wyobrazić sobie nowe struktury baterii i materiały, zrobić je i zobaczyć, jak dobrze - lub nie - działają. W ten sposób będziemy w stanie utrzymać rewolucję materiałów akumulatorowych.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation Veroniki Augustyn. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.