Prečo Smartphone môže získať upgrade s touto novou batériou Tech

Existuje viac mobilných telefónov na svete, ako sú ľudia. Takmer všetky z nich sú napájané nabíjateľnými lítium-iónovými batériami, ktoré sú jedinou najdôležitejšou zložkou umožňujúcou prenosnú elektronickú revolúciu v posledných desaťročiach. Žiadne z týchto zariadení by nebolo atraktívne pre používateľov, ak by nemali dostatok energie na to, aby vydržali aspoň niekoľko hodín bez toho, aby boli obzvlášť ťažké.

Lítium-iónové batérie sú tiež užitočné vo väčších aplikáciách, ako sú elektrické vozidlá a systémy inteligentného skladovania energie. Inovácie výskumných pracovníkov v oblasti materiálových vied, ktoré sa snažia o zlepšenie lítium-iónových batérií, pripravujú pôdu pre ešte viac batérií s ešte lepším výkonom. Už teraz vzniká dopyt po vysokokapacitných batériách, ktoré nehoria ani nevybuchnú. A mnohí ľudia snívali o menších, ľahších batériách, ktoré sa nabíjajú v priebehu niekoľkých minút - alebo dokonca sekúnd - a napriek tomu uchovávajú dostatok energie na napájanie zariadenia niekoľko dní.

Výskumníci, ako som ja, však myslia ešte dobrodružnejšie. Automobily a systémy na uskladnenie siete by boli ešte lepšie, keby mohli byť vypustené a nabité desiatky tisíckrát v priebehu mnohých rokov alebo dokonca desaťročí. Posádky údržby a zákazníci by mali radi batérie, ktoré by sa mohli monitorovať a posielať upozornenia, ak by boli poškodené alebo už nefungovali pri špičkovom výkone - alebo by sa dokonca dokázali sami opraviť. A to nie je príliš veľa na to, aby sme snívali o dvojúčelových batériách, ktoré sú integrované do štruktúry predmetu, čím pomáhajú formovať formu smartfónu, auta alebo budovy a zároveň poháňajú jeho funkcie.

Všetko, čo sa môže stať možným ako môj výskum a iní, pomáhajú vedcom a inžinierom stať sa čoraz odbornejšími v riadení a manipulácii s hmotou na úrovni jednotlivých atómov.

Rozvíjajúce sa materiály

Pokroky v skladovaní energie sa vo väčšine prípadov budú opierať o pokračujúci rozvoj materiálovej vedy, presúvanie limitov výkonu existujúcich materiálov akumulátorov a vývoj úplne nových konštrukcií batérií a kompozícií.

Priemysel výroby batérií už pracuje na znížení nákladov na lítium-iónové batérie, vrátane odstránenia drahého kobaltu z ich pozitívnych elektród, nazývaných katódy. Tým by sa tiež znížili ľudské náklady na tieto batérie, pretože mnohé bane v Kongu, ktoré je najväčším zdrojom kobaltu na svete, využívajú deti na vykonávanie náročnej manuálnej práce.

Pozri tiež: Táto polovica batérie, polovica solárnej bunky Hybrid by mohol byť celkom Game Changer

Výskumníci hľadajú spôsoby, ako nahradiť materiály obsahujúce kobalt katódami vyrobenými prevažne z niklu. Nakoniec môžu byť schopní nahradiť nikel mangánom. Každý z týchto kovov je lacnejší, bohatší a bezpečnejší na prácu ako jeho predchodca. Ale prichádzajú s kompromisom, pretože majú chemické vlastnosti, ktoré skracujú životnosť ich batérií.

Výskumní pracovníci sa tiež snažia nahradiť lítiové ióny, ktoré sa pohybujú medzi dvoma elektródami iónmi a elektrolytmi, ktoré môžu byť lacnejšie a potenciálne bezpečnejšie, ako sú tie, ktoré sú založené na sodíku, horčíku, zinku alebo hliníku.

Moja výskumná skupina sa zaoberá možnosťami použitia dvojrozmerných materiálov, v podstate extrémne tenkých vrstiev látok s užitočnými elektronickými vlastnosťami. Grafén je zrejme najznámejším z nich - list uhlíka len jeden atóm hrubý. Chceme zistiť, či by stohovanie vrstiev rôznych dvojrozmerných materiálov a potom infiltrovanie stohu vodou alebo inými vodivými kvapalinami mohli byť kľúčovými zložkami batérií, ktoré sa veľmi rýchlo nabíjajú.

Pri pohľade do batérie

Nie je to len nový materiál, ktorý rozširuje svet inovácií batérií: Nové zariadenia a metódy tiež umožňujú výskumníkom vidieť, čo sa deje v batériách oveľa ľahšie, než bolo možné.

V minulosti vedci pracovali s batériou cez konkrétny proces nabíjania-vybíjania alebo počtu cyklov, a potom materiál z batérie odstránili a po tom ho preskúmali. Až potom by sa vedci mohli dozvedieť, aké chemické zmeny sa udiali počas procesu a vyvodiť, ako vlastne batéria skutočne fungovala a čo ovplyvnilo jej výkon.

Výskumníci však teraz môžu sledovať materiály o batériách, pretože prechádzajú procesom uskladnenia energie, analyzujú dokonca ich atómovú štruktúru a zloženie v reálnom čase. Môžeme použiť sofistikované spektroskopické techniky, ako napríklad röntgenové techniky dostupné s typom urýchľovača častíc nazývaný synchrotrón - ako aj elektrónové mikroskopy a skenovacie sondy - na sledovanie pohybu iónov a fyzikálnych štruktúr, ako sa energia ukladá a uvoľňuje z materiálov. v batérii.

Pozri tiež: Ako prelom batérie môže viesť k elektrické autá, ktoré účtujú v sekundách

Tieto metódy umožňujú výskumníkom, ako som ja, predstaviť si nové štruktúry batérií a materiály, urobiť ich a vidieť, ako dobre - alebo nie - fungujú. Týmto spôsobom budeme môcť udržať revolúciu v oblasti materiálových batérií.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation Veronica Augustyn. Prečítajte si pôvodný článok.