Waarom smartphones een upgrade kunnen krijgen met deze nieuwe batterij Tech

Er zijn meer mobiele telefoons in de wereld dan er mensen zijn. Bijna allemaal worden ze gevoed door oplaadbare lithium-ionbatterijen, die het belangrijkste onderdeel zijn van de draagbare elektronische revolutie van de afgelopen decennia. Geen van deze apparaten zou aantrekkelijk zijn voor gebruikers als ze niet genoeg stroom hadden om minstens enkele uren mee te gaan, zonder bijzonder zwaar te zijn.

Lithium-ionbatterijen zijn ook nuttig in grotere toepassingen, zoals elektrische voertuigen en smart-grid energieopslagsystemen. En de innovaties van de onderzoekers in de materiaalkunde, die de lithium-ionbatterijen willen verbeteren, effenen de weg voor nog meer batterijen met nog betere prestaties. Er is al vraagvorming voor batterijen met hoge capaciteit die niet zullen ontbranden of exploderen. En veel mensen hebben gedroomd van kleinere, lichtere batterijen die in minuten - of zelfs seconden - worden opgeladen en toch genoeg energie opslaan om een ​​apparaat dagenlang van stroom te voorzien.

Onderzoekers zoals ik, denken echter nog avontuurlijker. Auto's en netopslagsystemen zouden nog beter zijn als ze tienduizenden keren zouden kunnen worden ontladen en opgeladen gedurende vele jaren, of zelfs tientallen jaren. Onderhoudsploegen en klanten zouden dol zijn op batterijen die zichzelf kunnen controleren en waarschuwingen kunnen verzenden als ze beschadigd zijn of niet langer functioneren bij topprestaties - of zelfs in staat zijn om zichzelf te herstellen. En het kan niet te veel zijn om te dromen over dual-purpose batterijen die zijn geïntegreerd in de structuur van een item, waarmee de vorm van een smartphone, auto of gebouw wordt vormgegeven, terwijl ook de functies worden gevoed.

Dat alles kan mogelijk worden terwijl mijn onderzoek en die van anderen wetenschappers en ingenieurs helpen steeds beter te worden in het beheersen en verwerken van materie op de schaal van individuele atomen.

Opkomende materialen

Het grootste deel van de vooruitgang in energieopslag zal afhankelijk zijn van de voortdurende ontwikkeling van de materiaalkunde, de grenzen van de prestaties van bestaande batterijmaterialen verleggen en volledig nieuwe batterijstructuren en -samenstellingen ontwikkelen.

De batterijindustrie is al bezig om de kosten van lithium-ionbatterijen te verlagen, inclusief door het verwijderen van duur kobalt uit hun positieve elektroden, kathodes genaamd. Dit zou ook de menselijke kosten van deze batterijen verminderen, omdat veel mijnen in Congo, 's werelds grootste bron van kobalt, kinderen gebruiken om moeilijke handenarbeid te doen.

Zie ook: Deze Half Battery, Half Solar Cell Hybrid kan een Total Game Changer zijn

Onderzoekers vinden manieren om de kobalthoudende materialen te vervangen door kathoden die grotendeels uit nikkel zijn vervaardigd. Uiteindelijk kunnen ze het nikkel vervangen door mangaan. Elk van deze metalen is goedkoper, overvloediger en veiliger om mee te werken dan zijn voorganger. Maar ze komen met een wisselwerking, omdat ze chemische eigenschappen hebben die de levensduur van hun batterijen verkorten.

Onderzoekers zijn ook op zoek naar vervanging van de lithiumionen die tussen de twee elektroden heen en weer bewegen met ionen en elektrolyten die goedkoper en potentieel veiliger zijn, zoals die op basis van natrium, magnesium, zink of aluminium.

Mijn onderzoeksgroep onderzoekt de mogelijkheden van het gebruik van tweedimensionale materialen, in wezen extreem dunne vellen substanties met nuttige elektronische eigenschappen. Grafeen is misschien wel de bekendste - een koolstofvel van slechts één atoom dik. We willen zien of het stapelen van lagen van verschillende tweedimensionale materialen en vervolgens het infiltreren van de stapel met water of andere geleidende vloeistoffen belangrijke componenten van batterijen kunnen zijn die zich snel opladen.

Kijken in de batterij

Het zijn niet alleen nieuwe materialen die de wereld van batterijinnovatie uitbreiden: dankzij nieuwe apparatuur en methoden kunnen onderzoekers ook veel gemakkelijker zien wat er in batterijen gebeurt dan ooit mogelijk was.

In het verleden hebben onderzoekers een batterij door een bepaald laad-ontlaadproces of aantal cycli gevoerd en vervolgens het materiaal van de batterij verwijderd en daarna onderzocht. Alleen dan konden geleerden leren welke chemische veranderingen er tijdens het proces waren opgetreden en daaruit afleiden hoe de batterij echt werkte en wat de prestaties beïnvloedde.

Maar nu kunnen onderzoekers accumaterialen bekijken terwijl ze het energieopslagproces ondergaan en zelfs hun atomaire structuur en samenstelling in realtime analyseren. We kunnen geavanceerde spectroscopietechnieken gebruiken, zoals röntgentechnieken die beschikbaar zijn met een type deeltjesversneller, een synchrotron genoemd, evenals elektronenmicroscopen en scansondes, om ionenbeweging te bekijken en fysieke structuren te veranderen als energie wordt opgeslagen in en vrijgegeven uit materialen in een batterij.

Zie ook: Hoe een batterijdoorbraak kan leiden tot elektrische auto's die binnen enkele seconden opladen

Met die methoden kunnen onderzoekers zoals ik nieuwe batterijstructuren en materialen voorstellen, ze maken en zien hoe goed - of niet - ze werken. Op die manier kunnen we ervoor zorgen dat de revolutie in batterijmateriaal doorgaat.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Veronica Augustyn. Lees hier het originele artikel.