Proč Smartphone může získat upgrade s touto novou baterií Tech

Existuje více mobilních telefonů na světě, než jsou lidé. Téměř všechny z nich jsou napájeny dobíjecí lithium-iontové baterie, které jsou jednou z nejdůležitějších komponent umožňujících revoluci přenosné elektroniky v posledních několika desetiletích. Žádný z těchto přístrojů by nebyl atraktivní pro uživatele, pokud by neměli dostatek energie, aby vydrželi nejméně několik hodin, aniž by byli zvlášť těžcí.

Lithium-iontové baterie jsou také užitečné ve větších aplikacích, jako jsou elektrická vozidla a inteligentní systémy pro skladování energie. Inovace výzkumných pracovníků ve vědě o materiálech, které se snaží vylepšit lithium-iontové baterie, připravují půdu pro ještě více baterií s ještě lepším výkonem. Již existuje poptávka po vysokokapacitních bateriích, které nebudou vznítit nebo explodovat. A mnoho lidí snilo o menších, lehčích bateriích, které se nabíjí během několika minut - nebo dokonce vteřin - a přesto uchovávají dostatek energie pro napájení zařízení po celé dny.

Výzkumní pracovníci, jako jsem já, však přemýšlejí ještě dobrodružněji. Automobily a systémy pro skladování v distribučních soustavách by byly ještě lepší, kdyby mohly být vypouštěny a dobíjeny desítky tisíckrát po mnoho let, ba i desetiletí. Posádky údržby a zákazníci by měli rádi baterie, které by mohly monitorovat samy sebe a zasílat výstrahy, pokud by byly poškozeny nebo již nefungovaly při špičkovém výkonu - nebo by se dokonce dokázaly opravit. A nemůže to být ani o snu o dvouúčelových bateriích, které jsou integrovány do struktury položky, což pomáhá utvářet podobu smartphonu, auta nebo budovy a zároveň podporuje její funkce.

Vše, co se může stát možným jako můj výzkum a jiní, pomůže vědcům a inženýrům stále více osvojit si kontrolu a manipulaci s hmotou v měřítku jednotlivých atomů.

Rozvíjející se materiály

Pokroky v oblasti skladování energie se z větší části budou opírat o pokračující vývoj vědy o materiálech, posouvání limitů výkonu stávajících bateriových materiálů a vývoj zcela nových bateriových struktur a kompozic.

Odvětví baterií již pracuje na snížení nákladů na lithium-iontové baterie, včetně odstranění drahého kobaltu z jejich pozitivních elektrod, nazývaných katody. To by také snížilo lidskou cenu těchto baterií, protože mnoho dolů v Kongu, které je největším světovým zdrojem kobaltu, využívá děti k tomu, aby pracovaly obtížně.

Viz také: Tato poloviční baterie, poloviční solární buňka Hybrid může být totální hra měnič

Výzkumníci hledají způsoby, jak nahradit materiály obsahující kobalt katodami vyrobenými převážně z niklu. Nakonec mohou být schopni nahradit nikl manganem. Každý z těchto kovů je levnější, hojnější a bezpečnější pro práci než jeho předchůdce. Ale přicházejí s kompromisem, protože mají chemické vlastnosti, které zkracují jejich životnost.

Výzkumníci se také dívají na nahrazení iontů lithia, které se pohybují mezi oběma elektrodami ionty a elektrolyty, které mohou být levnější a potenciálně bezpečnější, jako jsou ty, které jsou založeny na sodíku, hořčíku, zinku nebo hliníku.

Moje výzkumná skupina se zabývá možnostmi využití dvourozměrných materiálů, v podstatě extrémně tenkých listů látek s užitečnými elektronickými vlastnostmi. Grafen je zřejmě nejznámější z nich - prostě jeden uhlíkový list. Chceme zjistit, zda by stohování vrstev různých dvourozměrných materiálů a pak infiltrování stohu vodou nebo jinými vodivými kapalinami mohly být klíčovými komponentami akumulátorů, které se velmi rychle dobíjejí.

Pohled dovnitř baterie

Není to jen nové materiály, které rozšiřují svět inovací baterií: Nové vybavení a metody také umožňují výzkumníkům lépe vidět, co se děje uvnitř baterií mnohem snadněji, než bylo možné.

V minulosti vědci vedli baterii přes určitý proces vybíjení náboje nebo počet cyklů, a poté materiál odebrali z baterie a po této skutečnosti jej zkontrolovali. Teprve potom by se učenci mohli dozvědět, jaké chemické změny se v průběhu procesu odehrály, a vyvodit, jak vlastně baterie fungovala a co ovlivnilo její výkon.

Nyní však mohou výzkumní pracovníci sledovat materiály z baterií, protože procházejí procesem skladování energie a analyzují dokonce jejich atomovou strukturu a složení v reálném čase. Můžeme použít sofistikované techniky spektroskopie, jako jsou rentgenové techniky dostupné s typem urychlovače částic zvaným synchrotron - stejně jako elektronové mikroskopy a snímací sondy - pro sledování pohybu iontů a změny fyzických struktur při ukládání a uvolňování energie z materiálů v baterii.

Viz také: Jak může průlom baterie vést k elektrické vozy, které účtují v sekundách

Tyto metody umožňují výzkumníkům, jako jsem já, představit si nové struktury baterií a materiály, vyrobit je a zjistit, jak dobře - nebo ne - fungují. Tímto způsobem se nám podaří udržet revoluci v bateriových materiálech.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Veronica Augustyn. Přečtěte si originální článek zde.