Почему смартфоны могут получить обновление с этой новой технологией батареи

В мире больше мобильных телефонов, чем людей. Почти все они питаются от перезаряжаемых литий-ионных батарей, которые являются единственным наиболее важным компонентом, обеспечивающим революцию в области портативной электроники последних нескольких десятилетий. Ни одно из этих устройств не было бы привлекательным для пользователей, если бы у них не было достаточно энергии, чтобы работать в течение по крайней мере нескольких часов, не будучи особенно тяжелым.

Литий-ионные аккумуляторы также полезны в более крупных приложениях, таких как электромобили и интеллектуальные энергосистемы. А инновации исследователей в области материаловедения, направленные на улучшение литий-ионных батарей, прокладывают путь к еще большему количеству батарей с еще лучшими характеристиками. Уже сформировался спрос на аккумуляторы высокой емкости, которые не загораются и не взрываются. И многие люди мечтали о меньших, более легких батареях, которые заряжаются за считанные минуты - или даже секунды - и при этом накапливают достаточно энергии для питания устройства в течение нескольких дней.

Такие исследователи, как я, думают еще более авантюрно. Автомобили и системы хранения сетки были бы еще лучше, если бы их можно было разряжать и перезаряжать десятки тысяч раз за многие годы или даже десятилетия. Бригадам техобслуживания и клиентам понравятся аккумуляторы, которые могут контролировать себя и отправлять оповещения, если они были повреждены или перестали функционировать при пиковой производительности - или даже смогли починить себя. И не может быть слишком много, чтобы мечтать о батареях двойного назначения, интегрированных в структуру предмета, помогающих придать форму смартфону, автомобилю или зданию, одновременно обеспечивая при этом его функции.

Все это может стать возможным, поскольку мои исследования и помощь других ученых и инженеров станут еще более искусными в управлении веществом в масштабе отдельных атомов.

Новые материалы

По большей части, достижения в области накопления энергии будут опираться на постоянное развитие материаловедения, раздвигая пределы производительности существующих материалов для батарей и разрабатывая совершенно новые конструкции и составы батарей.

Аккумуляторная промышленность уже работает над снижением стоимости литий-ионных аккумуляторов, в том числе путем удаления дорогого кобальта из их положительных электродов, называемых катодами. Это также уменьшило бы стоимость этих батарей, поскольку многие шахты в Конго, ведущем в мире источнике кобальта, используют детей для выполнения тяжелого ручного труда.

См. Также: эта половина батареи, половина солнечной батареи гибридного может быть полностью изменит игру

Исследователи находят способы замены кобальтсодержащих материалов на катоды, сделанные в основном из никеля. В конце концов, они могут заменить никель марганцем. Каждый из этих металлов дешевле, более распространен и безопасен в работе, чем его предшественник. Но они идут с компромиссом, потому что у них есть химические свойства, которые сокращают срок службы их батарей.

Исследователи также рассматривают возможность замены ионов лития, которые перемещаются между двумя электродами, ионами и электролитами, которые могут быть дешевле и потенциально безопаснее, например, на основе натрия, магния, цинка или алюминия.

Моя исследовательская группа рассматривает возможности использования двумерных материалов, чрезвычайно тонких листов веществ с полезными электронными свойствами. Графен, пожалуй, самый известный из них - лист углерода толщиной всего в один атом. Мы хотим выяснить, могут ли накапливаться слои различных двумерных материалов, а затем проникать в стек с водой или другими проводящими жидкостями, которые могут быть ключевыми компонентами батарей, которые заряжаются очень быстро.

Взгляд в батарею

Это не просто новые материалы, расширяющие мир аккумуляторных инноваций: новое оборудование и методы также позволяют исследователям увидеть, что происходит внутри аккумуляторов, гораздо проще, чем когда-либо было возможно.

В прошлом исследователи проводили батарею через определенный процесс зарядки-разрядки или количество циклов, а затем вынимали материал из батареи и осматривали его по факту. Только тогда ученые смогут узнать, какие химические изменения произошли во время процесса, и сделать вывод о том, как батарея действительно работает и что влияет на ее производительность.

Но теперь исследователи могут наблюдать за материалами аккумуляторов в процессе накопления энергии, анализируя даже их атомную структуру и состав в режиме реального времени. Мы можем использовать сложные методы спектроскопии, такие как рентгеновские методы, доступные с ускорителем частиц, называемым синхротроном, - а также электронные микроскопы и сканирующие зонды - для наблюдения за движением ионов и изменением физических структур по мере накопления энергии и выделения из материалов. в батарее.

Смотрите также: Как прорыв батареи может привести к электрическим автомобилям, которые заряжаются в считанные секунды

Эти методы позволяют исследователям, таким как я, представлять новые аккумуляторные конструкции и материалы, создавать их и видеть, насколько хорошо - или нет - они работают. Таким образом, мы сможем поддержать революцию в производстве материалов для аккумуляторов.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Вероникой Августин. Прочитайте оригинальную статью здесь.