Чому смартфони можуть отримати оновлення за допомогою цієї нової технології акумуляторів

У світі більше мобільних телефонів, ніж у людей. Майже всі вони оснащені акумуляторними літій-іонними батареями, які є найважливішим компонентом, що дозволяє революцію портативної електроніки за останні кілька десятиліть. Жоден з цих пристроїв не був би привабливим для користувачів, якщо вони не мали б достатньо енергії, щоб витримати принаймні кілька годин, не будучи особливо важкими.

Літій-іонні батареї також корисні у великих додатках, таких як електричні транспортні засоби та системи енергозбереження для розумної сітки. А інновації дослідників у галузі матеріалознавства, спрямовані на вдосконалення літій-іонних акумуляторів, прокладають шлях для ще більшої кількості батарей з ще більш високою продуктивністю. Існує потреба у формуванні акумуляторів великої ємності, які не будуть загорятися або вибухати. І багато людей мріяли про менші, легкі батареї, які заряджаються за лічені хвилини - або навіть секунди - але зберігають достатньо енергії для живлення пристрою протягом декількох днів.

Дослідники, як я, хоч і думають ще більш авантюристично. Автомобілі та системи зберігання сітки були б навіть кращими, якби їх можна було скидати і перезаряджати десятки тисяч разів протягом багатьох років або навіть десятиліть. Екіпажі та клієнти, що обслуговуються, хотіли б насолоджуватися батареями, які могли б відстежувати себе та надсилати попередження, якщо вони були пошкоджені або не функціонують на піку продуктивності, або навіть могли самі виправити себе. І це не може бути занадто багато, щоб мріяти про батареї подвійного призначення, інтегровані в структуру виробу, допомагаючи формувати форму смартфона, автомобіля або будівлі, а також забезпечувати її функціями.

Все це може стати можливим, оскільки мої дослідження та інші допомагають вченим і інженерам ставати більш вправними у контролі та обробці речовини в масштабах окремих атомів.

Нові матеріали

Здебільшого, досягнення в області зберігання енергії будуть спиратися на постійний розвиток матеріалознавства, просування меж продуктивності існуючих акумуляторних матеріалів та розробка абсолютно нових структур і композицій батарей.

Індустрія батарей вже працює над зниженням вартості літій-іонних акумуляторів, у тому числі шляхом видалення дорогого кобальту з позитивних електродів, що називаються катодами. Це також зменшить людські витрати на ці батареї, оскільки багато шахт в Конго, що є провідним світовим джерелом кобальту, використовують дітей для виконання важкої ручної праці.

Дивіться також: Це половина батареї, Половина Сонячний Гібрид Клітини може бути Загальний Ігри Changer

Дослідники знаходять способи замінити кобальтвмісні матеріали катодами, виготовленими переважно з нікелю. Зрештою, вони можуть замінити нікель на марганець. Кожен з цих металів дешевше, більш багатий і безпечніший, ніж його попередник. Але вони приходять з компромісом, тому що вони мають хімічні властивості, які скорочують термін служби батарей.

Дослідники також розглядають заміну іонів літію, що здійснюють трансфер між двома електродами, з іонами та електролітами, які можуть бути дешевшими та потенційно безпечнішими, наприклад, на основі натрію, магнію, цинку або алюмінію.

Моя дослідницька група розглядає можливості використання двовимірних матеріалів, по суті дуже тонких листів речовин з корисними електронними властивостями. Графен, мабуть, найвідоміший з них - лист вуглецю товщиною всього одного атома. Ми хочемо побачити, чи можуть складання шарів різних двовимірних матеріалів, а потім проникнення в стек водою або іншими провідними рідинами, бути ключовими компонентами батарей, які швидко перезаряджаються.

Дивлячись всередині акумулятора

Це не просто нові матеріали, що розширюють світ інновацій акумуляторів: нове обладнання та методи також дозволяють дослідникам побачити, що відбувається всередині акумуляторів набагато легше, ніж це було колись можливо.

У минулому дослідники запускали батарею через певний процес розряду заряду або кількість циклів, а потім витягували матеріал з батареї і розглядали її після закінчення факту. Тільки тоді науковці могли б дізнатися, які хімічні зміни відбулися під час процесу і зробити висновок про те, як акумулятор дійсно працював і що вплинуло на його роботу.

Але тепер дослідники можуть спостерігати за акумуляторними матеріалами, коли вони проходять процес зберігання енергії, аналізуючи навіть їх атомну структуру і склад в реальному часі. Ми можемо використовувати складні методи спектроскопії, такі як рентгенівські методи, доступні з типом прискорювача часток, який називається синхротронним, а також електронними мікроскопами і скануючими зондами, щоб спостерігати за переміщенням іонів і зміною фізичних структур, коли енергія зберігається і вивільняється з матеріалів акумулятора.

Див. Також: Як прорив батареї може привести до електричних автомобілів, які заряджують за секунди

Ці методи дозволяють дослідникам, як я, уявити нові структури батареї та матеріали, зробити їх та побачити, наскільки добре - чи ні - вони працюють. Таким чином, ми зможемо тримати революцію в матеріалах батареї.

Ця стаття була спочатку опублікована на бесіді Вероніки Августин. Читайте оригінальну статтю тут.