Защо смартфони могат да получат надстройка с тази нова технология на батерията

В света има повече мобилни телефони, отколкото има хора. Почти всички от тях се захранват от презареждащи се литиево-йонни батерии, които са единственият най-важен компонент, който позволява революцията на преносимата електроника през последните няколко десетилетия. Нито едно от тези устройства не би било привлекателно за потребителите, ако те не са имали достатъчно мощност, за да издържат поне няколко часа, без да са особено тежки.

Литиево-йонните батерии са полезни и при по-големи приложения, като електрически превозни средства и системи за съхранение на енергия с интелигентна мрежа. Иновациите на изследователите в областта на науката за материалите, които се стремят да подобрят литиево-йонните батерии, проправят пътя за още повече батерии с още по-добри резултати. Вече има нужда от формиране на батерии с голям капацитет, които няма да се запалят или експлодират. И много хора са мечтали за по-малки, по-леки батерии, които зареждат за минути - или дори секунди - и все пак съхраняват достатъчно енергия за захранване на устройството в продължение на дни.

Изследователи като мен обаче мислят още по-авантюристично. Автомобилите и системите за съхранение на мрежи биха били дори по-добри, ако те могат да бъдат изхвърляни и презареждани десетки хиляди пъти в продължение на много години или дори десетилетия. Екипите за поддръжка и клиентите биха искали батерии, които могат да наблюдават себе си и да изпращат предупреждения, ако са повредени или вече не функционират при максимална производителност - или дори са били в състояние да се поправят. И не може да бъде прекалено много да се мечтаят за батерии с двойно предназначение, интегрирани в структурата на елемента, като помагат за оформянето на формата на смартфон, кола или сграда, като същевременно захранват неговите функции.

Всичко това може да стане възможно, тъй като моите изследвания и други помогнаха на учените и инженерите да станат все по-опитни в контрола и управлението на материята в мащаба на отделните атоми.

Възникващи материали

В по-голямата си част напредъкът в съхранението на енергия ще зависи от непрекъснатото развитие на науката за материалите, прокарвайки границите на изпълнение на съществуващите батерийни материали и разработвайки изцяло нови батерийни структури и композиции.

Индустрията на батериите вече работи за намаляване на разходите за литиево-йонни батерии, включително чрез премахване на скъпия кобалт от положителните им електроди, наречени катоди. Това би намалило и човешките разходи за тези батерии, тъй като много мини в Конго, водещият източник на кобалт в света, използват децата за труден физически труд.

Виж също: Тази половин батерия, хибридът на половин слънчева клетка може да бъде обща промяна на играта

Изследователите намират начини да заменят кобалтсъдържащите материали с катоди, направени предимно от никел. В крайна сметка те могат да заместят никела с манган. Всеки един от тези метали е по-евтин, по-изобилен и по-безопасен за работа от своя предшественик. Но те идват с компромис, защото имат химически свойства, които съкращават живота на батериите.

Изследователите също търсят да заменят литиевите йони, които се движат между двата електрода с йони и електролити, които могат да бъдат по-евтини и потенциално по-безопасни, като тези, базирани на натрий, магнезий, цинк или алуминий.

Моята изследователска група разглежда възможностите за използване на двумерни материали, по същество изключително тънки листове от вещества с полезни електронни свойства. Графенът е може би най-известният от тях - лист въглерод с дебелина само един атом. Искаме да видим дали натрупването на слоеве от различни двуизмерни материали и след това проникване в стека с вода или други проводими течности могат да бъдат ключови компоненти на батериите, които се зареждат много бързо.

Гледайки вътре в батерията

Не само нови материали разширяват света на иновациите в батериите: новото оборудване и методи също така позволяват на изследователите да видят какво се случва в батериите много по-лесно, отколкото е било възможно веднъж.

В миналото изследователите пускали батерия през определен процес на разреждане на заряда или брой цикли, след което извадили материала от батерията и го изследвали след факта. Само тогава учените можеха да научат какви химически промени са се случили по време на процеса и да изведат как действително е работила батерията и какво е повлияло на нейната работа.

Но сега изследователите могат да гледат батерийните материали, докато преминават през процеса на съхранение на енергията, като анализират дори тяхната атомна структура и състав в реално време. Можем да използваме сложни техники за спектроскопия, като рентгенови техники, които се предлагат с тип ускорител на частици, наречен синхротрон - както и електронни микроскопи и сканиращи сонди - за да наблюдаваме движението на йони и промяната на физическите структури, когато енергията се съхранява и освобождава от материалите в батерия.

Вижте също: Как пробивът на батерията може да доведе до зареждане на електрически автомобили за секунди

Тези методи позволяват на изследователите като мен да си представят нови структури и материали на батериите, да ги направят и да видят колко добре - или не - работят. По този начин ще можем да запазим революцията в материалите за батериите.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation by Veronica Augustyn. Прочетете оригиналната статия тук.