Varför Smartphones kan få en uppgradering med den här nya batteritekniken

Det finns fler mobiltelefoner i världen än det finns människor. Nästan alla är drivna av laddningsbara litiumjonbatterier, som är den enskilt viktigaste komponenten som möjliggör den bärbara elektronikrevolutionen de senaste decennierna. Ingen av dessa enheter skulle vara attraktiva för användarna om de inte hade tillräckligt med ström för att vara i åtminstone flera timmar utan att vara särskilt tunga.

Litiumjonbatterier är också användbara vid större tillämpningar, som elfordon och smarta lagringsenergilagringssystem. Och forskarnas innovationer inom materialvetenskap, som försöker förbättra litiumjonbatterierna, banar vägen för ännu fler batterier med ännu bättre prestanda. Det finns redan efterfrågan på högkapacitetsbatterier som inte kommer att skjuta eld eller explodera. Och många har drömt om mindre, ljusare batterier som laddas i minuter - eller till och med sekunder - men lagrar nog energi för att driva en enhet i flera dagar.

Forskare som jag tänker dock ännu mer äventyrligt. Bilar och nätförvaringssystem skulle vara ännu bättre om de kunde tömmas och laddas tiotusentals gånger under många år, eller till och med årtionden. Underhållspersonal och kunder skulle älska batterier som kunde övervaka sig och skicka varningar om de var skadade eller inte längre fungerade vid högsta prestanda - eller ens kunde fixa sig själva. Och det kan inte vara för mycket att drömma om dubbla användningsbatterier som är integrerade i en produkts struktur, vilket bidrar till att forma form av en smartphone, bil eller byggnad samtidigt som den driver sina funktioner.

Allt som kan bli möjligt som min forskning och andras hjälpforskare och ingenjörer blir allt mer skickliga på att kontrollera och hantera materia i enskilda atomer.

Emerging Materials

För det mesta kommer framsteg i energilagring att förlita sig på den fortsatta utvecklingen av materialvetenskap, driva gränserna för prestanda hos befintliga batterimaterial och utveckla helt nya batteristrukturer och kompositioner.

Batteriindustrin arbetar redan för att minska kostnaden för litiumjonbatterier, bland annat genom att avlägsna dyr kobolt från sina positiva elektroder, kallad katoder. Detta skulle också minska den mänskliga kostnaden för dessa batterier, eftersom många gruvor i Kongo, världens ledande källa till kobolt, använder barn att göra svårt manuellt arbete.

Se även: Detta halvt batteri, Half Solar Cell Hybrid kan vara en total spelväxlare

Forskare hittar sätt att ersätta de koboltinnehållande materialen med katod som till största delen framställs av nickel. Så småningom kan de ersätta nickeln med mangan. Var och en av dessa metaller är billigare, rikare och säkrare att arbeta med än sin föregångare. Men de kommer med en avvägning, eftersom de har kemiska egenskaper som förkortar sina batteriers livstider.

Forskare tittar också på att ersätta litiumjonerna som pendlar mellan de två elektroderna med joner och elektrolyter som kan vara billigare och potentiellt säkrare, som de som är baserade på natrium, magnesium, zink eller aluminium.

Min forskningsgrupp tittar på möjligheterna att använda tvådimensionella material, i huvudsak extremt tunna ark av substanser med användbara elektroniska egenskaper. Grafen är kanske det mest kända för dessa - ett ark med kol bara en atom tjock. Vi vill se om stapling av lager av olika tvådimensionella material och infiltrering av stapeln med vatten eller andra ledande vätskor kan vara nyckelkomponenter för batterier som laddas mycket snabbt.

Ser inuti batteriet

Det är inte bara nya material som expanderar världen av batterinovation: Ny utrustning och metoder gör det också möjligt för forskare att se vad som händer inom batterierna mycket lättare än vad som en gång var möjligt.

Tidigare sprang forskare ett batteri genom en viss laddningsavladdningsprocess eller antal cykler och tog sedan bort materialet från batteriet och undersökte det efter det faktum. Först då kunde forskare lära sig vilka kemiska förändringar som hade hänt under processen och avleda hur batteriet faktiskt fungerade och vad som påverkat prestanda.

Men nu kan forskare titta på batterimaterial när de genomgår energilagringsprocessen, analyserar även sin atomstruktur och sammansättning i realtid. Vi kan använda sofistikerade spektroskopitekniker, som röntgenteknik som finns med en typ av partikelaccelerator som kallas en synkrotron - såväl som elektronmikroskop och scanningsprober - för att se joner flytta och fysiska strukturer förändras när energi lagras i och släpps ut från material i ett batteri.

Se även: Hur ett batteriproblem kan leda till elbilar som laddar på några sekunder

Dessa metoder låter forskare som jag föreställa sig nya batteristrukturer och material, göra dem och se hur bra - eller inte - de arbetar. På det sättet kommer vi att kunna hålla batterimaterialrevolutionen igång.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Veronica Augustyn. Läs den ursprungliga artikeln här.