Ben je het zat om elke avond je telefoon in te pluggen? Mogelijk is er hulp onderweg.

Nieuw onderzoek aan de Universiteit van Kansas zou in de komende jaren batterijen met een langere levensduur kunnen opleveren voor de meeste consumentenelektronica en elektronische voertuigen.

Vandaag, de meeste Amerikanen bezitten elektronische apparaten die worden aangedreven door oplaadbare lithium-ionbatterijen en sommige rijden in auto's die worden aangedreven door lithium-ionbatterijtechnologie. Maar lithium-ionbatterijen hebben nadelen, zoals de noodzaak van regelmatig opladen.

"Iedereen wil betere batterijen voor telefoons, elektronica en auto's, " zei Xianglin Li, universitair docent werktuigbouwkunde. "De huidige lithium-ionbatterij, die overal wordt gebruikt, heeft niet genoeg energiedichtheid - je moet je telefoon elke dag opladen."

Onlangs, Li verdiende een nieuwe $ 219, 312, tweejarige subsidie ​​van de National Science Foundation om geavanceerde lithium-zuurstofbatterijen vooruit te helpen. Hij zei dat lithium-zuurstofbatterijen het meest veelbelovende batterijplatform vormen om de plaats van lithium-ion in te nemen.

"Het onderzoek dat we doen naar de lithium-zuurstofbatterij vertegenwoordigt de volgende generatie energieopslag, "zei hij. "Theoretisch, het heeft ongeveer een orde van grootte hogere opslagcapaciteit dan lithium-ion. Dus, als u hier in de toekomst naar overschakelt, je hoeft je telefoon maar één keer per week op te laden. Er zijn concurrerende technologieën zoals de zink-lucht- of lithium-zwavelbatterijen, maar lithium-zuurstof is duidelijk degene met de hoogste capaciteit, dus het heeft een groot voordeel."

Terwijl lithium-zuurstofbatterijen een veel grotere energieopslagcapaciteit beloven, hun tekortkoming is een onvermogen om energie zo snel te ontladen als lithium-ionbatterijen. Totdat dit nadeel is overwonnen, lithium-zuurstofbatterijtechnologie blijft in de onderzoeksfase van het laboratorium, aldus de KU-onderzoeker.

"Het probleem is dat lithium-zuurstof een lage stroomdichtheid heeft - het gaat lang mee, maar je krijgt niet veel kracht, " zei Li. "Als je lithium-zuurstofbatterijen gebruikt voor een elektrische auto, je zou 500 mijl kunnen rijden, maar je kunt niet erg snel accelereren. Slechts een paar kilometer per uur rijden is niet erg leuk. Voor zover ik weet, bijna alle lithium-zuurstofbatterijen bevinden zich nog in de onderzoeksfase en de technologie heeft nog geen erg grote markt. Uitvoering, stabiliteit en levensduur zijn nu allemaal problemen voor lithium-zuurstofbatterijen. Maar in de jaren '70 en '80, lithium-ionbatterijen hadden vergelijkbare problemen."

Met zijn nieuwe NSF-beurs, Li hoopt technologie te ontwikkelen om de stroomdichtheid van lithium-zuurstofbatterijen te verhogen om ze praktischer te maken. Hij zal werken in de X-ray Computed Tomography Facility aan de Carnegie Mellon University, in samenwerking met Shawn Litster.

"Ons doel is om het vermogen van lithium-zuurstofbatterijen met één orde van grootte te vergroten, terwijl we de ultramoderne energiedichtheid hebben, ' zei Li.

Li en Litster zullen zich richten op het begrijpen en verbeteren van de functie van de zuurstofelektrode van de lithium-zuurstofbatterij. Li zei dat lithium-zuurstofbatterijen zuurstof uit de lucht moeten opnemen via poriën op nanoschaal om reacties te vergemakkelijken. Dus, de elektrochemische prestatie van lithium-zuurstofbatterijen hangt af van de tweefasenstroom van vloeibaar gas op de porieschaal van de elektrode. De onderzoekers streven ernaar om het transport op porieschaal van de batterij-elektroden beter te begrijpen, zoals bepaald door de poriegrootte, structuur, connectiviteit en bevochtigbaarheid.

"Shawn Litster van Carnegie Mellon heeft een uniek apparaat om morfologieën op nanoschaal te meten - technologie die lijkt op een CT-scan in een ziekenhuis, maar met een zeer hoge resolutie tot aan de 20-30 nanometer resolutie, "Zei Li. "We willen de elektroden van lithium-zuurstofbatterijen meten en begrijpen hoe we zuurstof beter kunnen overbrengen met een verbeterd ontwerp. De batterij moet zuurstof uit de lucht opnemen, dus als we niet snel genoeg zuurstof leveren, het vermogen zal beperkt zijn. We gaan zijn faciliteit gebruiken samen met onze geavanceerde modellen en theorieën om te proberen een hoogwaardige batterij-elektrode te ontwerpen - en hopelijk hebben we een prototype voor laboratoriumdemonstratie."

Het onderzoek zal zich richten op het verbeteren van de trage massaoverdracht van zuurstof in batterij-elektroden.

"Batterijen zijn elektrochemische apparaten waarbij je een hoge reactiesnelheid wilt - en de enige plaats waar de reactie kan plaatsvinden, is in de elektrode- en elektrolytinterface, " zei Li. "We moeten een zo groot mogelijk oppervlak creëren met behulp van nanomaterialen, maar de massaoverdracht zal erg traag zijn omdat nanoporiën een hogere weerstand hebben. In een lithium-zuurstofbatterij, de elektrolyt is vloeibaar en de massaoverdracht door vloeistof is erg traag in vergelijking met lucht. Een voorbeeld is dat je niet kunt ademen door een stuk papier dat doordrenkt is met water vanwege de hoge waterbestendigheid tegen zuurstofoverdracht. Hetzelfde geldt voor een vloeibaar elektrolyt, dus we willen de gasfase in onze elektrode creëren om de zuurstofoverdracht te vergemakkelijken."

Li zei dat het project het potentieel heeft om te resulteren in een gepatenteerde technologie die het onderzoek en de acceptatie van de lithium-zuurstoftechnologie in de komende jaren kan bevorderen. De onderzoekers zijn van plan potentiële partnerschappen aan te gaan met de lokale industrie en het publiek te bereiken via de Kansas City STEM Alliance.

Aanvullend, het subsidiewerk ondersteunt de opleiding van twee KU-afgestudeerden.

"Ik heb momenteel een doctoraatsstudent waarvan ik denk dat hij in de zomer met mij naar CMU zal komen, " zei Li. "Het is een geweldige trainingservaring. Hij studeert later dit jaar af en volgend jaar komt er nog een afstudeerder, dus ik ga tijdens dit project twee verschillende studenten opleiden."