Er zijn meer mobiele telefoons in de wereld dan er mensen zijn. Bijna allemaal worden ze gevoed door oplaadbare lithium-ionbatterijen, die de allerbelangrijkste component zijn die de draagbare elektronica-revolutie van de afgelopen decennia mogelijk heeft gemaakt. Geen van die 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 slimme energieopslagsystemen. En de innovaties van onderzoekers in materiaalkunde, streven naar verbetering van lithium-ionbatterijen, maken de weg vrij voor nog meer batterijen met nog betere prestaties. Er is al vraag naar batterijen met een hoge capaciteit die niet in brand vliegen of exploderen. En veel mensen hebben gedroomd van kleinere, lichtere batterijen die in minuten – of zelfs seconden – worden opgeladen en toch voldoende energie opslaan om een ​​apparaat dagenlang van stroom te voorzien.

Onderzoekers zoals ik, Hoewel, denken nog avontuurlijker. Auto's en netopslagsystemen zouden nog beter zijn als ze gedurende vele jaren tienduizenden keren zouden kunnen worden ontladen en weer opgeladen. of zelfs decennia. Onderhoudsploegen en klanten zouden dol zijn op batterijen die zichzelf kunnen monitoren en waarschuwingen kunnen sturen als ze beschadigd zijn of niet meer optimaal functioneren - of zelfs in staat zijn zichzelf te repareren. En het kan niet teveel zijn om te dromen van dual-purpose batterijen die zijn geïntegreerd in de structuur van een item, helpen om de vorm van een smartphone vorm te geven, auto of gebouw terwijl het ook zijn functies aanstuurt.

Dat alles kan mogelijk worden als mijn onderzoek en de hulp van anderen wetenschappers en ingenieurs steeds bedrevener worden in het beheersen en hanteren van materie op de schaal van individuele atomen.

Opkomende materialen

Voor het grootste gedeelte, vooruitgang in energieopslag zal afhangen van de voortdurende ontwikkeling van materiaalwetenschap, de prestatiegrenzen van bestaande batterijmaterialen verleggen en geheel nieuwe batterijstructuren en samenstellingen ontwikkelen.

De batterij-industrie werkt al aan het verlagen van de kosten van lithium-ionbatterijen, onder meer door het verwijderen van duur kobalt van hun positieve elektroden, kathoden genoemd. 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 verrichten.

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

Onderzoekers kijken ook naar het vervangen van de lithiumionen die pendelen tussen de twee elektroden door ionen en elektrolyten die mogelijk goedkoper en mogelijk veiliger zijn, zoals die op basis van natrium, magnesium, zink of aluminium.

Mijn onderzoeksgroep kijkt naar de mogelijkheden van het gebruik van tweedimensionale materialen, in wezen extreem dunne platen van stoffen met nuttige elektronische eigenschappen. Grafeen is misschien wel de bekendste hiervan:een koolstoflaag van slechts één atoom dik. We willen zien of het opstapelen van lagen van verschillende tweedimensionale materialen en het vervolgens infiltreren van de stapel met water of andere geleidende vloeistoffen belangrijke componenten kunnen zijn van batterijen die zeer snel worden opgeladen.

In de batterij kijken

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

Vroeger, onderzoekers lieten een batterij een bepaald laad-ontlaadproces of een aantal cycli doorlopen, en vervolgens het materiaal van de batterij verwijderd en daarna onderzocht. Alleen dan konden wetenschappers te weten komen welke chemische veranderingen er tijdens het proces waren gebeurd en konden ze afleiden hoe de batterij echt werkte en wat de prestaties beïnvloedde.

Maar nu, onderzoekers kunnen batterijmaterialen bekijken terwijl ze het energieopslagproces ondergaan, zelfs hun atomaire structuur en samenstelling in realtime analyseren. We kunnen geavanceerde spectroscopietechnieken gebruiken, zoals röntgentechnieken die beschikbaar zijn met een soort deeltjesversneller die een synchrotron wordt genoemd - evenals elektronenmicroscopen en scansondes - om te zien hoe ionen bewegen en fysieke structuren veranderen terwijl energie wordt opgeslagen in en vrijkomt uit materialen in een batterij.

Met die methoden kunnen onderzoekers zoals ik nieuwe batterijstructuren en materialen bedenken, maak ze en kijk hoe goed – of niet – ze werken. Op die manier, we zullen in staat zijn om de revolutie in batterijmaterialen gaande te houden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.